Abstract: Struttura di base e principio di funzionamento del fotorivelatore a valanga (Fotorivelatore APDVengono introdotti i principi fondamentali, analizzato il processo evolutivo della struttura del dispositivo, riassunto lo stato attuale della ricerca e studiato in prospettiva lo sviluppo futuro degli APD.
1. Introduzione
Un fotorivelatore è un dispositivo che converte i segnali luminosi in segnali elettrici. In unfotorivelatore a semiconduttoreIl portatore di carica fotogenerato, eccitato dal fotone incidente, entra nel circuito esterno sotto la tensione di polarizzazione applicata e forma una fotocorrente misurabile. Anche alla massima responsività, un fotodiodo PIN può produrre al massimo una sola coppia di coppie elettrone-lacuna, risultando quindi un dispositivo privo di guadagno interno. Per ottenere una maggiore responsività, è possibile utilizzare un fotodiodo a valanga (APD). L'effetto di amplificazione dell'APD sulla fotocorrente si basa sull'effetto di collisione per ionizzazione. In determinate condizioni, gli elettroni e le lacune accelerati possono acquisire energia sufficiente per collidere con il reticolo cristallino e produrre una nuova coppia di coppie elettrone-lacuna. Questo processo innesca una reazione a catena, per cui la coppia di coppie elettrone-lacuna generata dall'assorbimento della luce può produrre un gran numero di coppie e formare un'elevata fotocorrente secondaria. Pertanto, l'APD presenta un'elevata responsività e un guadagno interno, che migliorano il rapporto segnale/rumore del dispositivo. L'APD viene utilizzato principalmente nei sistemi di comunicazione a 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 riguardo alle prospettive degli APD e ritengono che la ricerca sugli APD sia necessaria per migliorare la competitività internazionale dei settori correlati.
2. Sviluppo tecnico difotorivelatore di valanghe(Fotorivelatore APD)
2.1 Materiali
(1)Fotorivelatore al silicio
La tecnologia del silicio (Si) è una tecnologia matura ampiamente utilizzata nel campo della microelettronica, ma non è adatta alla realizzazione di dispositivi nelle gamme di lunghezze d'onda di 1,31 mm e 1,55 mm, generalmente accettate nel campo delle comunicazioni ottiche.
(2)Ge
Sebbene la risposta spettrale del Ge APD sia adatta ai requisiti di bassa perdita e bassa dispersione nella trasmissione in fibra ottica, il processo di preparazione presenta notevoli difficoltà. Inoltre, il rapporto tra il tasso di ionizzazione di elettroni e lacune del Ge è vicino a () 1, quindi è difficile preparare dispositivi APD ad alte prestazioni.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Un metodo efficace consiste nel 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 si trova alle lunghezze d'onda di 1,65 mm, 1,31 mm e 1,55 mm, con un elevato coefficiente di assorbimento di circa 104 cm⁻¹, ed è attualmente il materiale preferito per lo strato di assorbimento del fotorivelatore.
(4)Fotorivelatore InGaAs/Infotorivelatore
Selezionando InGaAsP come strato fotoricettivo e InP come strato moltiplicatore, è possibile realizzare APD con una lunghezza d'onda di risposta di 1-1,4 mm, elevata efficienza quantica, bassa corrente di buio ed elevato guadagno a valanga. Scegliendo diverse leghe, si ottengono le migliori prestazioni per specifiche lunghezze d'onda.
(5)InGaAs/InAlAs
Il materiale In0.52Al0.48As ha un band gap (1,47 eV) e non assorbe nella gamma di lunghezze d'onda di 1,55 mm. Vi sono prove che un sottile strato epitassiale di In0.52Al0.48As può ottenere migliori caratteristiche di guadagno rispetto all'InP come strato moltiplicatore in condizioni di pura iniezione di elettroni.
(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 degli APD. I risultati mostrano che il tasso di ionizzazione da collisione dello strato moltiplicatore può essere migliorato introducendo strutture a superreticolo InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs. Utilizzando la struttura a superreticolo, l'ingegneria di banda 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 massivi InGaAs, il tasso di ionizzazione degli elettroni del pozzo quantico InGaAs/InAlAs (a) è significativamente aumentato, e gli elettroni e le lacune acquisiscono energia extra. A causa di ΔEc>>ΔEv, ci si può aspettare che l'energia acquisita dagli elettroni aumenti il tasso di ionizzazione degli elettroni molto più del contributo dell'energia delle lacune al tasso di ionizzazione delle lacune (b). Il rapporto (k) tra la velocità di ionizzazione degli elettroni e quella delle lacune aumenta. Pertanto, applicando strutture a superreticolo, è possibile ottenere un elevato prodotto guadagno-larghezza di banda (GBW) e basse prestazioni di rumore. Tuttavia, questo APD con struttura a pozzo quantico InGaAs/InAlAs, che può aumentare il valore di k, è difficile da applicare ai ricevitori ottici. Questo perché il fattore moltiplicatore che influenza la risposta massima è limitato dalla corrente di buio, non dal rumore del moltiplicatore. In questa struttura, la corrente di buio è causata principalmente dall'effetto tunnel dello strato di pozzo InGaAs con un band gap ristretto, quindi l'introduzione di una lega quaternaria a band gap ampio, come InGaAsP o InAlGaAs, al posto di InGaAs come strato di pozzo della struttura a pozzo quantico può sopprimere la corrente di buio.
Data di pubblicazione: 13 novembre 2023