Resumo: A estrutura básica e o principio de funcionamento dun fotodetector de avalanchas (Fotodetector APD), analízase o proceso de evolución da estrutura do dispositivo, resúmese o estado actual da investigación e estúdase de forma prospectiva o desenvolvemento futuro da APD.
1. Introdución
Un fotodetector é un dispositivo que converte sinais luminosos en sinais eléctricos. Nunfotodetector de semicondutores, a portadora xerada pola foto excitada polo fotón incidente entra no circuíto externo baixo a tensión de polarización aplicada e forma unha fotocorrente medible. Mesmo coa máxima capacidade de resposta, un fotodiodo PIN só pode producir como máximo un par de pares electrón-burato, o que constitúe un dispositivo sen ganancia interna. Para unha maior capacidade de resposta, pódese usar un fotodiodo de avalancha (APD). O efecto de amplificación do APD sobre a fotocorrente baséase no efecto de colisión por ionización. En determinadas condicións, os electróns e os buratos acelerados poden obter enerxía suficiente para chocar coa rede e producir un novo par de pares electrón-burato. Este proceso é unha reacción en cadea, de xeito que o par de pares electrón-burato xerados pola absorción de luz poden producir un gran número de pares electrón-burato e formar unha gran fotocorrente secundaria. Polo tanto, o APD ten unha alta capacidade de resposta e ganancia interna, o que mellora a relación sinal-ruído do dispositivo. O APD usarase principalmente en sistemas de comunicación por fibra óptica de longa distancia ou máis pequenos con outras limitacións na potencia óptica recibida. Na actualidade, moitos expertos en dispositivos ópticos son moi optimistas sobre as perspectivas da APD e cren que a investigación da APD é necesaria para mellorar a competitividade internacional de campos relacionados.
2. Desenvolvemento técnico defotodetector de avalanchas(Fotodetector APD)
2.1 Materiais
(1)Fotodetector de Si
A tecnoloxía de materiais de silicio é unha tecnoloxía madura que se emprega amplamente no campo da microelectrónica, pero non é axeitada para a preparación de dispositivos no rango de lonxitudes de onda de 1,31 mm e 1,55 mm que son xeralmente aceptados no campo da comunicación óptica.
(2)Xe
Aínda que a resposta espectral do APD de Ge é axeitada para os requisitos de baixa perda e baixa dispersión na transmisión por fibra óptica, existen grandes dificultades no proceso de preparación. Ademais, a relación de taxa de ionización de electróns e buratos do Ge é próxima a () 1, polo que é difícil preparar dispositivos APD de alto rendemento.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
É un método eficaz seleccionar In0.53Ga0.47As como capa de absorción de luz do APD e InP como capa multiplicadora. O pico de absorción do material In0.53Ga0.47As é de 1,65 mm, 1,31 mm e 1,55 mm, cunha lonxitude de onda de aproximadamente 104 cm-1 de alto coeficiente de absorción, que é o material preferido para a capa de absorción do detector de luz na actualidade.
(4)Fotodetector de InGaAs/Enfotodetector
Ao seleccionar InGaAsP como capa absorbente de luz e InP como capa multiplicadora, pódese preparar un APD cunha lonxitude de onda de resposta de 1-1,4 mm, alta eficiencia cuántica, baixa corrente de escuridade e alta ganancia de avalancha. Ao seleccionar diferentes compoñentes de aliaxe, conséguese o mellor rendemento para lonxitudes de onda específicas.
(5)InGaAs/InAlAs
O material In0.52Al0.48As ten unha banda prohibida (1,47 eV) e non absorbe no rango de lonxitudes de onda de 1,55 mm. Hai evidencias de que unha capa epitaxial fina de In0.52Al0.48As pode obter mellores características de ganancia que o InP como capa multiplicadora baixo a condición de inxección de electróns puros.
(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs e InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
A taxa de ionización por impacto dos materiais é un factor importante que afecta o rendemento da APD. Os resultados mostran que a taxa de ionización por colisión da capa multiplicadora pódese mellorar introducindo estruturas de superrede InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs. Mediante o uso da estrutura de superrede, a enxeñaría de bandas pode controlar artificialmente a descontinuidade asimétrica do bordo da banda entre os valores da banda de condución e da banda de valencia, e garantir que a descontinuidade da banda de condución sexa moito maior que a descontinuidade da banda de valencia (ΔEc>>ΔEv). En comparación cos materiais a granel InGaAs, a taxa de ionización de electróns de pozo cuántico de InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente, e os electróns e os buratos gañan enerxía adicional. Debido a ΔEc>>ΔEv, pódese esperar que a enerxía gañada polos electróns aumente a taxa de ionización de electróns moito máis que a contribución da enerxía dos buratos á taxa de ionización dos buratos (b). A relación (k) entre a taxa de ionización de electróns e a taxa de ionización dos buratos aumenta. Polo tanto, pódese obter un produto de ancho de banda de ganancia (GBW) elevado e un rendemento de baixo ruído aplicando estruturas de superrede. Non obstante, esta APD da estrutura de pozo cuántico de InGaAs/InAlAs, que pode aumentar o valor k, é difícil de aplicar aos receptores ópticos. Isto débese a que o factor multiplicador que afecta á capacidade de resposta máxima está limitado pola corrente escura, non polo ruído multiplicador. Nesta estrutura, a corrente escura débese principalmente ao efecto de túnel da capa de pozo de InGaAs cun intervalo de banda estreito, polo que a introdución dunha aliaxe cuaternaria de intervalo de banda ancho, como InGaAsP ou InAlGaAs, en lugar de InGaAs como capa de pozo da estrutura de pozo cuántico pode suprimir a corrente escura.
Data de publicación: 13 de novembro de 2023