Resumo: A estrutura básica e o princípio de funcionamento do fotodetector de avalanche (Fotodetector APD) são introduzidos, o processo de evolução da estrutura do dispositivo é analisado, o status atual da pesquisa é resumido e o desenvolvimento futuro do APD é estudado prospectivamente.
1. Introdução
Um fotodetector é um dispositivo que converte sinais de luz em sinais elétricos. Em umfotodetector semicondutor, a portadora fotogerada excitada pelo fóton incidente entra no circuito externo sob a tensão de polarização aplicada e forma uma fotocorrente mensurável. Mesmo com a capacidade de resposta máxima, um fotodiodo PIN pode produzir apenas um par de pares elétron-buraco, no máximo, o que é um dispositivo sem ganho interno. Para maior capacidade de resposta, um fotodiodo de avalanche (APD) pode ser usado. O efeito de amplificação do APD na fotocorrente é baseado no efeito de colisão de ionização. Sob certas condições, os elétrons e buracos acelerados podem obter energia suficiente para colidir com a rede e produzir um novo par de pares elétron-buraco. Esse processo é uma reação em cadeia, de modo que o par de pares elétron-buraco gerado pela absorção de luz pode produzir um grande número de pares elétron-buraco e formar uma grande fotocorrente secundária. Portanto, o APD tem alta capacidade de resposta e ganho interno, o que melhora a relação sinal-ruído do dispositivo. O APD será usado principalmente em sistemas de comunicação de fibra óptica de longa distância ou menores com outras limitações na potência óptica recebida. Atualmente, muitos especialistas em dispositivos ópticos estão muito otimistas sobre as perspectivas do APD e acreditam que a pesquisa do APD é necessária para aumentar a competitividade internacional de campos relacionados.
2. Desenvolvimento técnico defotodetector de avalanche(Fotodetector APD)
2.1 Materiais
(1)Fotodetector de Si
A tecnologia de materiais de Si é uma tecnologia madura amplamente utilizada no campo da microeletrônica, mas não é adequada para a preparação de dispositivos na faixa de comprimento de onda de 1,31 mm e 1,55 mm, geralmente aceita no campo da comunicação óptica.
(2)Ge
Embora a resposta espectral do APD de Ge seja adequada para os requisitos de baixa perda e baixa dispersão na transmissão por fibra óptica, existem grandes dificuldades no processo de preparação. Além disso, a razão entre a taxa de ionização de elétrons e lacunas do Ge é próxima de () 1, dificultando a preparação de dispositivos APD de alto desempenho.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
É um método eficaz para selecionar In0,53Ga0,47As como camada de absorção de luz do APD e InP como camada multiplicadora. O pico de absorção do material In0,53Ga0,47As é de 1,65 mm, 1,31 mm e 1,55 mm, com um alto coeficiente de absorção de cerca de 104 cm-1, sendo o material preferido para a camada de absorção do detector de luz atualmente.
(4)Fotodetector InGaAs/Emfotodetector
Selecionando InGaAsP como camada absorvedora de luz e InP como camada multiplicadora, é possível preparar um APD com comprimento de onda de resposta de 1-1,4 mm, alta eficiência quântica, baixa corrente escura e alto ganho de avalanche. A seleção de diferentes componentes de liga permite obter o melhor desempenho para comprimentos de onda específicos.
(5)InGaAs/InAlAs
O material In0,52Al0,48As possui uma lacuna de banda (1,47 eV) e não absorve na faixa de comprimento de onda de 1,55 mm. Há evidências de que uma fina camada epitaxial de In0,52Al0,48As pode obter melhores características de ganho do que o InP como camada multiplicadora sob a condição de injeção pura de elétrons.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs e InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
A taxa de ionização por impacto dos materiais é um fator importante que afeta o desempenho do APD. Os resultados mostram que a taxa de ionização por colisão da camada multiplicadora pode ser melhorada pela introdução de estruturas de super-rede InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs. Ao utilizar a estrutura de super-rede, a engenharia de banda pode controlar artificialmente a descontinuidade assimétrica da borda da banda entre os valores da banda de condução e da banda de valência, e garantir que a descontinuidade da banda de condução seja muito maior do que a descontinuidade da banda de valência (ΔEc>>ΔEv). Comparada com materiais a granel de InGaAs, a taxa de ionização de elétrons do poço quântico InGaAs/InAlAs (a) é significativamente aumentada, e elétrons e lacunas ganham energia extra. Devido a ΔEc>>ΔEv, pode-se esperar que a energia ganha pelos elétrons aumente a taxa de ionização de elétrons muito mais do que a contribuição da energia da lacuna para a taxa de ionização da lacuna (b). A razão (k) entre a taxa de ionização de elétrons e a taxa de ionização de lacunas aumenta. Portanto, um alto produto de ganho-largura de banda (GBW) e baixo ruído podem ser obtidos pela aplicação de estruturas de super-rede. No entanto, essa estrutura de poço quântico APD de InGaAs/InAlAs, que pode aumentar o valor de k, é difícil de aplicar a receptores ópticos. Isso ocorre porque o fator multiplicador que afeta a capacidade de resposta máxima é limitado pela corrente escura, não pelo ruído multiplicador. Nessa estrutura, a corrente escura é causada principalmente pelo efeito de tunelamento da camada de poço de InGaAs com uma lacuna de banda estreita, portanto, a introdução de uma liga quaternária de lacuna de banda larga, como InGaAsP ou InAlGaAs, em vez de InGaAs como camada de poço da estrutura de poço quântico, pode suprimir a corrente escura.
Horário da publicação: 13/11/2023