Riassunto: La struttura di base e il principio di funzionamento del fotodetector a valanga (Fotodiodo APD), viene analizzato il processo di evoluzione della struttura del dispositivo, viene riassunto lo stato attuale della ricerca e viene studiato in modo prospettico lo sviluppo futuro dell'APD.
1. Introduzione
Un fotodiodo è un dispositivo che converte i segnali luminosi in segnali elettrici. In unfotodiodo a semiconduttore, la portante fotogenerata, eccitata dal fotone incidente, entra nel circuito esterno sotto la tensione di polarizzazione applicata e forma una fotocorrente misurabile. Anche alla massima reattività, un fotodiodo PIN può produrre al massimo una coppia di coppie elettrone-lacuna, il che lo rende un dispositivo privo di guadagno interno. Per una maggiore reattività, è possibile utilizzare un fotodiodo a valanga (APD). L'effetto di amplificazione dell'APD sulla fotocorrente si basa sull'effetto di collisione di ionizzazione. In determinate condizioni, gli elettroni e le lacune accelerati possono ottenere energia sufficiente per collidere con il reticolo e produrre una nuova coppia di coppie elettrone-lacuna. Questo processo è una reazione a catena, quindi la coppia di coppie elettrone-lacuna generata dall'assorbimento della luce può produrre un gran numero di coppie elettrone-lacuna e formare un'elevata fotocorrente secondaria. Pertanto, l'APD ha un'elevata reattività e un guadagno interno, che migliorano il rapporto segnale/rumore del dispositivo. L'APD verrà utilizzato principalmente in sistemi di comunicazione in fibra ottica a lunga distanza o di piccole dimensioni, con altre limitazioni sulla potenza ottica ricevuta. Attualmente, molti esperti di dispositivi ottici sono molto ottimisti circa le prospettive dell'APD e ritengono che la ricerca sull'APD sia necessaria per migliorare la competitività internazionale dei settori correlati.
2. Sviluppo tecnico difotodetector per valanghe(Fotodetectore APD)
2.1 Materiali
(1)Fotodiodo al silicio
La tecnologia dei materiali Si è una tecnologia matura e ampiamente utilizzata nel campo della microelettronica, ma non è adatta alla preparazione di dispositivi nell'intervallo di lunghezza d'onda di 1,31 mm e 1,55 mm, generalmente accettati nel campo delle comunicazioni ottiche.
(2)Ge
Sebbene la risposta spettrale dei dispositivi APD in Ge sia adeguata ai requisiti di basse perdite e bassa dispersione nella trasmissione in fibra ottica, il processo di preparazione presenta notevoli difficoltà. Inoltre, il rapporto tra velocità di ionizzazione di elettroni e lacune del Ge è prossimo a (λ) 1, rendendo difficile la preparazione di dispositivi APD ad alte prestazioni.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
È un metodo efficace selezionare In0.53Ga0.47As come strato di assorbimento della luce dell'APD e InP come strato moltiplicatore. Il picco di assorbimento del materiale In0.53Ga0.47As è di 1,65 mm, la lunghezza d'onda di 1,31 mm e 1,55 mm è di circa 104 cm-1, un elevato coefficiente di assorbimento, che è attualmente il materiale preferito per lo strato di assorbimento del rivelatore di luce.
(4)Fotodiodo InGaAs/Infotodiodo
Selezionando InGaAsP come strato di assorbimento della luce e InP come strato moltiplicatore, è possibile realizzare un APD con una lunghezza d'onda di risposta di 1-1,4 mm, elevata efficienza quantica, bassa corrente di buio e alto guadagno a valanga. Selezionando diversi componenti in lega, si ottengono le migliori prestazioni per specifiche lunghezze d'onda.
(5)InGaAs/InAlAs
Il materiale In0.52Al0.48As ha un gap di banda (1,47 eV) e non assorbe nell'intervallo di lunghezza d'onda di 1,55 mm. È stato dimostrato che uno strato epitassiale sottile di In0.52Al0.48As può ottenere caratteristiche di guadagno migliori rispetto a InP come strato moltiplicatore in condizioni di iniezione di elettroni puri.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs e InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
La velocità di ionizzazione per impatto dei materiali è un fattore importante che influenza le prestazioni dell'APD. I risultati mostrano che la velocità di ionizzazione per collisione dello strato moltiplicatore può essere migliorata introducendo strutture a superreticolo InGaAs (P) /InAlAs e In(Al)GaAs/InAlAs. Utilizzando la struttura a superreticolo, l'ingegneria delle bande può controllare artificialmente la discontinuità asimmetrica del bordo di banda tra i valori della banda di conduzione e della banda di valenza e garantire che la discontinuità della banda di conduzione sia molto maggiore della discontinuità della banda di valenza (ΔEc>>ΔEv). Rispetto ai materiali bulk in InGaAs, la velocità di ionizzazione elettronica a pozzo quantico di InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente, e elettroni e lacune acquisiscono energia extra. A causa di ΔEc>>ΔEv, ci si può aspettare che l'energia acquisita dagli elettroni aumenti la velocità di ionizzazione elettronica molto più del contributo dell'energia delle lacune alla velocità di ionizzazione delle lacune (b). Il rapporto (k) tra la velocità di ionizzazione degli elettroni e quella delle lacune aumenta. Pertanto, è possibile ottenere un elevato prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW) e prestazioni a basso rumore applicando strutture a superreticolo. Tuttavia, questa struttura a pozzo quantico APD InGaAs/InAlAs, che può aumentare il valore k, è difficile da applicare ai ricevitori ottici. Questo perché il fattore moltiplicativo che influenza la massima reattività è limitato dalla corrente oscura, non dal rumore moltiplicativo. In questa struttura, la corrente oscura è causata principalmente dall'effetto tunnel dello strato di pozzo InGaAs con un gap di banda stretto, quindi l'introduzione di una lega quaternaria ad ampio gap di banda, come InGaAsP o InAlGaAs, al posto di InGaAs come strato di pozzo della struttura a pozzo quantico può sopprimere la corrente oscura.
Data di pubblicazione: 13-11-2023