Resumen: La estructura básica y el principio de funcionamiento del fotodetector de avalancha (fotodetector APDSe introducen, 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 los APD.
1. Introducción
Un fotodetector es un dispositivo que convierte señales luminosas en señales eléctricas.fotodetector 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 sensibilidad, un fotodiodo PIN solo puede producir, como máximo, un par electrón-hueco, lo que lo convierte en un dispositivo sin ganancia interna. Para una mayor sensibilidad, 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. Bajo ciertas condiciones, los electrones y huecos acelerados pueden adquirir suficiente energía para colisionar con la red cristalina y producir un nuevo par electrón-hueco. Este proceso es una reacción en cadena, de modo que el par 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 tiene una alta sensibilidad y ganancia interna, lo que mejora la relación señal/ruido del dispositivo. El APD se utilizará principalmente en sistemas de comunicación por fibra óptica de larga distancia o de menor tamaño con otras limitaciones en la potencia óptica recibida. En la actualidad, muchos expertos en dispositivos ópticos son muy optimistas sobre las perspectivas de los fotodiodos de avalancha (APD) y creen que la investigación sobre los APD es necesaria para mejorar la competitividad internacional de los campos relacionados.
2. Desarrollo técnico defotodetector de avalancha(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 fotodiodo de avalancha de germanio (Ge APD) es adecuada para los requisitos de baja pérdida y baja dispersión en la transmisión por fibra óptica, su proceso de fabricación presenta grandes dificultades. Además, la relación entre 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
Es un método eficaz seleccionar In0.53Ga0.47As como capa de absorción de luz del fotodiodo de avalancha (APD) e InP como capa multiplicadora. El pico de absorción del material In0.53Ga0.47As se sitúa en las longitudes de onda de 1,65 mm, 1,31 mm y 1,55 mm, con un coeficiente de absorción elevado de aproximadamente 10⁴ cm⁻¹, lo que lo convierte en el material preferido actualmente para la capa de absorción del detector de luz.
(4)fotodetector InGaAs/Enfotodetector
Al seleccionar InGaAsP como capa absorbente de luz e InP como capa multiplicadora, se puede fabricar un fotodiodo de avalancha (APD) con una longitud de onda de respuesta de 1-1,4 mm, alta eficiencia cuántica, baja corriente oscura y alta ganancia de avalancha. Mediante la selección de 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 de 1,47 eV y no absorbe en el rango de longitud de onda de 1,55 mm. Existen indicios 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 de electrones 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 de los fotodiodos de avalancha (APD). Los resultados muestran que la tasa de ionización por colisión de la capa multiplicadora puede mejorarse mediante la introducción de superredes de InGaAs(P)/InAlAs e In(Al)GaAs/InAlAs. Mediante el uso de la superred, la ingeniería de bandas permite controlar artificialmente la discontinuidad asimétrica del borde de banda entre la banda de conducción y la banda de valencia, y garantiza que la discontinuidad de la banda de conducción sea mucho mayor que la de la banda de valencia (ΔEc >> ΔEv). En comparación con los materiales de InGaAs a granel, la tasa de ionización electrónica del pozo cuántico InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente, y tanto electrones como huecos adquieren energía adicional. Debido a que ΔEc >> ΔEv, se puede esperar que la energía adquirida por los electrones incremente la tasa de ionización electrónica mucho más que la contribución de la energía de los huecos a dicha tasa (b). La relación (k) entre la tasa de ionización de electrones y la de huecos aumenta. Por lo tanto, se puede obtener un alto producto ganancia-ancho de banda (GBW) y un bajo nivel de ruido mediante la aplicación de estructuras de superred. Sin embargo, este fotodiodo de avalancha (APD) con estructura de pozo cuántico InGaAs/InAlAs, que puede aumentar el valor de k, es difícil de aplicar a receptores ópticos. Esto se debe a que el factor multiplicador que afecta la responsividad 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 de pozo de InGaAs con una banda prohibida estrecha; por lo tanto, la introducción de una aleación cuaternaria de banda prohibida ancha, como InGaAsP o InAlGaAs, en lugar de InGaAs como capa de pozo de la estructura de pozo cuántico, puede suprimir la corriente oscura.
Fecha de publicación: 13 de noviembre de 2023