Riassunto: La struttura di base e il principio di funzionamento del fotorilevatore da valanga (Fotorivelatore APD), viene analizzato il processo di evoluzione della struttura del dispositivo, viene riassunto lo stato attuale della ricerca e studiato in modo prospettico il futuro sviluppo dell'APD.
1. Introduzione
Un fotorivelatore è un dispositivo che converte i segnali luminosi in segnali elettrici. Nell'afotorilevatore 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 solo una coppia di coppie elettrone-lacuna, il che è un dispositivo senza guadagno interno. Per una maggiore reattività è possibile utilizzare un fotodiodo da valanga (APD). L'effetto di amplificazione dell'APD sulla fotocorrente si basa sull'effetto di collisione della ionizzazione. In determinate condizioni, gli elettroni e le lacune accelerati possono ottenere energia sufficiente per scontrarsi con il reticolo e produrre una nuova coppia di coppie elettrone-lacuna. Questo processo è una reazione a catena, in modo che la coppia di coppie elettrone-lacuna generata dall'assorbimento della luce può produrre un gran numero di coppie elettrone-lacuna e formare una grande fotocorrente secondaria. Pertanto, APD ha un'elevata reattività e guadagno interno, che migliora il rapporto segnale-rumore del dispositivo. L'APD verrà utilizzato principalmente nei sistemi di comunicazione in fibra ottica a lunga distanza o più piccoli con altre limitazioni sulla potenza ottica ricevuta. Al momento, molti esperti di dispositivi ottici sono molto ottimisti riguardo alle prospettive dell'APD e ritengono che la ricerca sull'APD sia necessaria per migliorare la competitività internazionale dei campi correlati.
2. Sviluppo tecnico difotorivelatore da valanga(Fotorivelatore APD)
2.1 Materiali
(1)Si fotorivelatore
La tecnologia dei materiali Si è una tecnologia matura ampiamente utilizzata nel campo della microelettronica, ma non è adatta per la preparazione di dispositivi nell'intervallo di lunghezze d'onda di 1,31 mm e 1,55 mm generalmente accettati nel campo della comunicazione ottica.
(2)Ge
Sebbene la risposta spettrale del Ge APD sia adatta ai requisiti di bassa perdita e bassa dispersione nella trasmissione in fibra ottica, ci sono grandi difficoltà nel processo di preparazione. Inoltre, il rapporto della velocità di ionizzazione degli elettroni e delle lacune di Ge è vicino a () 1, quindi è difficile preparare dispositivi APD ad alte prestazioni.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
È un metodo efficace per selezionare In0.53Ga0.47As come strato di assorbimento della luce di APD e InP come strato moltiplicatore. Il picco di assorbimento del materiale In0.53Ga0.47As è 1,65 mm, la lunghezza d'onda di 1,31 mm, 1,55 mm è di circa 104 cm-1 con un elevato coefficiente di assorbimento, che è attualmente il materiale preferito per lo strato di assorbimento del rilevatore di luce.
(4)Fotorivelatore InGaAs/Infotorivelatore
Selezionando InGaAsP come strato che assorbe la luce e InP come strato moltiplicatore, è possibile preparare APD con una lunghezza d'onda di risposta di 1-1,4 mm, elevata efficienza quantica, bassa corrente oscura e elevato guadagno a valanga. Selezionando diversi componenti della lega, si ottengono le migliori prestazioni per lunghezze d'onda specifiche.
(5)InGaAs/InAlAs
Il materiale In0.52Al0.48As ha un gap di banda (1,47eV) e non assorbe nell'intervallo di lunghezze d'onda di 1,55 mm. Esistono prove che il sottile strato epitassiale 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
Il tasso di ionizzazione da impatto dei materiali è un fattore importante che influenza le prestazioni dell'APD. I risultati mostrano che il tasso di ionizzazione di collisione dello strato moltiplicatore può essere migliorato introducendo strutture superreticolari InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs. Utilizzando la struttura del superreticolo, l'ingegneria della banda può controllare artificialmente la discontinuità asimmetrica del bordo della banda tra la banda di conduzione e i valori della banda di valenza e garantire che la discontinuità della banda di conduzione sia molto più grande della discontinuità della banda di valenza (ΔEc>>ΔEv). Rispetto ai materiali sfusi InGaAs, la velocità di ionizzazione elettronica del pozzo quantico InGaAs/InAlAs (a) è significativamente aumentata e gli elettroni e le lacune guadagnano energia extra. A causa di ΔEc>>ΔEv, ci si può aspettare che l'energia guadagnata dagli elettroni aumenti la velocità di ionizzazione degli elettroni 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 la velocità di ionizzazione delle lacune aumenta. Pertanto, è possibile ottenere un prodotto di larghezza di banda ad alto guadagno (GBW) e prestazioni a basso rumore applicando strutture a superreticolo. Tuttavia, questo APD con struttura a pozzo quantico InGaAs/InAlAs, che può aumentare il valore k, è difficile da applicare ai ricevitori ottici. Questo perché il fattore moltiplicatore che influenza la massima reattività è limitato dalla corrente di buio, non dal rumore moltiplicatore. In questa struttura, la corrente oscura è causata principalmente dall'effetto tunnel dello strato del pozzo di InGaAs con un gap di banda stretto, quindi l'introduzione di una lega quaternaria con gap di banda ampio, come InGaAsP o InAlGaAs, invece di InGaAs come strato del pozzo della struttura del pozzo quantico può sopprimere la corrente oscura.
Orario di pubblicazione: 13 novembre 2023