Resumen: La estructura básica y el principio de funcionamiento del fotodetector de avalancha (fotodetector APDSe presentan los conceptos clave, 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. 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 sensibilidad, un fotodiodo PIN solo puede producir un par de pares electrón-hueco como máximo, 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 de ionización. Bajo ciertas condiciones, los electrones y huecos acelerados pueden obtener suficiente energía para colisionar con la red cristalina 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 un gran número 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 estos dispositivos 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
Aunque la respuesta espectral del fotodiodo de avalancha de germanio (Ge APD) cumple con los requisitos de baja pérdida y baja dispersión en la transmisión por fibra óptica, su proceso de preparación presenta grandes dificultades. Además, la relación de ionización de electrones y huecos del germanio es cercana a 1, lo que dificulta la fabricación 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 APD e InP como capa multiplicadora. El pico de absorción del material In0.53Ga0.47As se encuentra en longitudes de onda de 1,65 mm, 1,31 mm y 1,55 mm, 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 en la actualidad.
(4)fotodetector de InGaAs/Enfotodetector
Al seleccionar InGaAsP como capa absorbente de luz e InP como capa multiplicadora, se puede preparar 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. Al seleccionar diferentes componentes de aleación, se logra el mejor rendimiento para longitudes de onda específicas.
(5)InGaAs/InAlAs
El material In0.52Al0.48As tiene una banda prohibida de 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 bajo la condición de inyección de electrones puros.
(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 puede mejorarse 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 banda entre los valores de la banda de conducción y la banda de valencia, y asegurar 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 masivos de InGaAs, la tasa de ionización de electrones del pozo cuántico InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente, y los electrones y huecos ganan energía adicional. Debido a ΔEc>>ΔEv, se puede esperar que la energía ganada por los electrones aumente la tasa de ionización de electrones mucho más que la contribución de la energía de los huecos a la tasa de ionización de huecos (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 de 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 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 de pozo de InGaAs con una banda prohibida estrecha, por lo que 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