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 la DPA.
1. Introducción
Un fotodetector es un dispositivo que convierte señales luminosas en señales eléctricas.en unfotodetector de semiconductores, el portador fotogenerado excitado por el fotón incidente ingresa al circuito externo bajo el voltaje de polarización aplicado y forma una fotocorriente medible.Incluso con la máxima capacidad de respuesta, un fotodiodo PIN solo puede producir como máximo un par de pares de electrones-huecos, lo cual es 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 de ionización.Bajo ciertas condiciones, los electrones y huecos acelerados pueden obtener suficiente energía para chocar 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 generados por la absorción de luz puede producir una gran cantidad de pares electrón-hueco y formar una gran fotocorriente secundaria.Por lo tanto, APD tiene una alta capacidad de respuesta y ganancia interna, lo que mejora la relación señal-ruido del dispositivo.APD se utilizará principalmente en sistemas de comunicación de fibra óptica más pequeños o de larga distancia con otras limitaciones en la potencia óptica recibida.En la actualidad, muchos expertos en dispositivos ópticos son muy optimistas sobre las perspectivas de la APD y creen que la investigación de la APD es necesaria para mejorar la competitividad internacional de los campos relacionados.
2. Desarrollo técnico defotodetector de avalanchas(Fotodetector APD)
2.1 Materiales
(1)fotodetector si
La tecnología de materiales Si es una tecnología madura que se usa 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 se aceptan generalmente en el campo de las comunicaciones ópticas.
(2)Ge
Aunque la respuesta espectral de Ge APD es adecuada para los requisitos de baja pérdida y baja dispersión en la transmisión de fibra óptica, existen grandes dificultades en el proceso de preparación.Además, la relación de tasas de ionización de electrones y huecos de Ge es cercana a () 1, por lo que es difícil preparar dispositivos APD de alto rendimiento.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Es un método eficaz seleccionar In0.53Ga0.47As como capa de absorción de luz de 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. La longitud de onda es de aproximadamente 104 cm-1 de alto coeficiente de absorción, que es 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 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 (1,47eV) 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 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 se puede mejorar introduciendo estructuras de superred InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs.Al utilizar la estructura de superred, la ingeniería de bandas puede controlar artificialmente la discontinuidad del borde de la banda asimétrica 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 de InGaAs, la tasa de ionización de electrones del pozo cuántico (a) de InGaAs/InAlAs 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 de los electrones mucho más que la contribución de la energía del hueco a la tasa de ionización del hueco (b).La relación (k) entre la tasa de ionización de electrones y la tasa de ionización de huecos aumenta.Por lo tanto, se puede obtener un producto de ancho de banda de alta ganancia (GBW) y un rendimiento de bajo ruido mediante la aplicación de estructuras de superred.Sin embargo, esta estructura de pozo cuántico APD de 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 multiplicador.En esta estructura, la corriente oscura es causada principalmente por el efecto túnel de la capa del pozo de InGaAs con una banda prohibida estrecha, por lo que la introducción de una aleación cuaternaria de banda ancha, como InGaAsP o InAlGaAs, en lugar de InGaAs como capa del pozo. de la estructura del pozo cuántico puede suprimir la corriente oscura.
Hora de publicación: 13-nov-2023