Resumen: La estructura básica y el principio de funcionamiento del fotodetector de avalanchas (Fotodetector APD), se analiza el proceso de evolución de la estructura del dispositivo, se resume el estado actual de la investigación y se estudia prospectivamente el desarrollo futuro de APD.
1. Introducción
Un fotodetector es un dispositivo que convierte señales luminosas en señales eléctricas. En unfotodetector semiconductorEl portador fotogenerado, excitado por el fotón incidente, entra en el circuito externo bajo la tensión de polarización aplicada y forma una fotocorriente medible. Incluso con la máxima capacidad de respuesta, un fotodiodo PIN solo puede producir un par de pares electrón-hueco, lo que lo convierte en un dispositivo sin ganancia interna. Para una mayor capacidad de respuesta, se puede utilizar un fotodiodo de avalancha (APD). El efecto de amplificación del APD sobre la fotocorriente se basa en el efecto de colisión por ionización. En determinadas condiciones, los electrones y huecos acelerados pueden obtener suficiente energía para colisionar con la red y producir un nuevo par de pares electrón-hueco. Este proceso es una reacción en cadena, de modo que el par de pares electrón-hueco generado por la absorción de luz puede producir una gran cantidad de pares electrón-hueco y formar una gran fotocorriente secundaria. Por lo tanto, el APD presenta una alta capacidad de respuesta y ganancia interna, lo que mejora la relación señal-ruido del dispositivo. El APD se utilizará principalmente en sistemas de comunicación de fibra óptica de larga distancia o de menor tamaño con otras limitaciones en la potencia óptica recibida. Actualmente, muchos expertos en dispositivos ópticos se muestran muy optimistas sobre las perspectivas del APD y creen que su investigación es necesaria para mejorar la competitividad internacional de los campos relacionados.
2. Desarrollo técnico defotodetector de avalanchas(Fotodetector APD)
2.1 Materiales
(1)Fotodetector de silicio
La tecnología de materiales de silicio es una tecnología madura que se utiliza ampliamente en el campo de la microelectrónica, pero no es adecuada para la preparación de dispositivos en el rango de longitud de onda de 1,31 mm y 1,55 mm que son generalmente aceptados en el campo de la comunicación óptica.
(2)Ge
Si bien la respuesta espectral del APD de Ge es adecuada para los requisitos de baja pérdida y baja dispersión en la transmisión por fibra óptica, su preparación presenta importantes dificultades. Además, la relación de la tasa de ionización de electrones y huecos del Ge es cercana a () 1, lo que dificulta la preparación de dispositivos APD de alto rendimiento.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Un método eficaz es seleccionar In0.53Ga0.47As como capa de absorción de luz del APD e InP como capa multiplicadora. El pico de absorción del material In0.53Ga0.47As es de 1.65 mm, 1.31 mm y 1.55 mm de longitud de onda, con un coeficiente de absorción de aproximadamente 104 cm-1, lo que lo convierte en el material preferido para la capa de absorción del detector de luz actualmente.
(4)Fotodetector de InGaAs/Enfotodetector
Al seleccionar InGaAsP como capa absorbente de luz e InP como capa multiplicadora, se puede preparar un APD con una longitud de onda de respuesta de 1-1,4 mm, alta eficiencia cuántica, baja corriente oscura y alta ganancia de avalancha. Al seleccionar diferentes componentes de aleación, se logra el mejor rendimiento para longitudes de onda específicas.
(5)InGaAs/InAlAs
El material In0.52Al0.48As presenta una banda prohibida (1,47 eV) y no absorbe en el rango de longitud de onda de 1,55 mm. Existe evidencia de que una capa epitaxial delgada de In0.52Al0.48As puede obtener mejores características de ganancia que el InP como capa multiplicadora en condiciones de inyección electrónica pura.
(6)InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs e InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
La tasa de ionización por impacto de los materiales es un factor importante que afecta el rendimiento del APD. Los resultados muestran que la tasa de ionización por colisión de la capa multiplicadora se puede mejorar mediante la introducción de estructuras de superred InGaAs (P) / InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs. Mediante el uso de la estructura de superred, la ingeniería de bandas puede controlar artificialmente la discontinuidad asimétrica del borde de la banda entre los valores de la banda de conducción y la banda de valencia, y garantizar que la discontinuidad de la banda de conducción sea mucho mayor que la discontinuidad de la banda de valencia (ΔEc >> ΔEv). En comparación con los materiales a granel InGaAs, la tasa de ionización electrónica del pozo cuántico InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente, y los electrones y los huecos ganan energía adicional. Debido a ΔEc >> ΔEv, se puede esperar que la energía ganada por los electrones aumente la tasa de ionización electrónica mucho más que la contribución de la energía del hueco a la tasa de ionización del hueco (b). La razón (k) entre la tasa de ionización de electrones y la tasa de ionización de huecos aumenta. Por lo tanto, se puede obtener un alto producto de ganancia por ancho de banda (GBW) y un bajo rendimiento de ruido aplicando estructuras de superred. Sin embargo, este APD de estructura de pozo cuántico InGaAs/InAlAs, que puede aumentar el valor k, es difícil de aplicar a receptores ópticos. Esto se debe a que el factor multiplicador que afecta la capacidad de respuesta máxima está limitado por la corriente oscura, no por el ruido del multiplicador. En esta estructura, la corriente oscura se debe principalmente al efecto túnel de la capa del pozo InGaAs con un ancho de banda estrecho, por lo que la introducción de una aleación cuaternaria de ancho de banda, como InGaAsP o InAlGaAs, en lugar de InGaAs como capa del pozo de la estructura de pozo cuántico puede suprimir la corriente oscura.
Hora de publicación: 13 de noviembre de 2023