Resumo: A estrutura básica e o princípio de funcionamento do fotodetector de avalanche (Fotodetector APDSão apresentados os principais aspectos, analisado o processo de evolução da estrutura do dispositivo, resumido o estado atual da pesquisa e estudado prospectivamente o desenvolvimento futuro do APD.
1. Introdução
Um fotodetector é um dispositivo que converte sinais de luz em sinais elétricos. Em umfotodetector semicondutorEm um fotodiodo PIN, os portadores fotogerados, excitados pelo fóton incidente, entram no circuito externo sob a tensão de polarização aplicada e formam uma fotocorrente mensurável. Mesmo com a máxima responsividade, um fotodiodo PIN só consegue produzir, no máximo, um par de elétrons-lacunas, sendo um dispositivo sem ganho interno. Para maior responsividade, pode-se utilizar um fotodiodo de avalanche (APD). O efeito de amplificação da fotocorrente pelo APD baseia-se no efeito de colisão por ionização. Sob certas condições, os elétrons e lacunas acelerados podem obter energia suficiente para colidir com a rede cristalina e produzir um novo par de elétrons-lacunas. Esse processo é uma reação em cadeia, de modo que o par de elétrons-lacunas gerado pela absorção de luz pode produzir um grande número de pares de elétrons-lacunas e formar uma grande fotocorrente secundária. Portanto, o APD possui alta responsividade e ganho interno, o que melhora a relação sinal-ruído do dispositivo. O APD será utilizado principalmente em sistemas de comunicação por fibra óptica de longa distância ou de menor porte, com outras limitações na potência óptica recebida. Atualmente, muitos especialistas em dispositivos ópticos estão bastante otimistas em relação às perspectivas dos fotodiodos de avalanche (APD) e acreditam que a pesquisa nessa área é essencial para aumentar a competitividade internacional de campos relacionados.
2. Desenvolvimento técnico defotodetector de avalanche(Fotodetector APD)
2.1 Materiais
(1)Fotodetector de silício
A tecnologia de materiais de silício é uma tecnologia madura e 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, que são geralmente aceitas 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 as taxas de ionização de elétrons e lacunas do Ge é próxima de 1, o que dificulta a preparação de dispositivos APD de alto desempenho.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Selecionar In0,53Ga0,47As como camada de absorção de luz do APD e InP como camada multiplicadora é um método eficaz. O pico de absorção do material In0,53Ga0,47As ocorre em comprimentos de onda de 1,65 mm, 1,31 mm e 1,55 mm, apresentando um alto coeficiente de absorção de aproximadamente 104 cm-1, o que o torna o material preferido para a camada de absorção de detectores de luz atualmente.
(4)Fotodetector InGaAs/Emfotodetector
Ao selecionar InGaAsP como camada absorvedora de luz e InP como camada multiplicadora, é possível preparar um fotodiodo de avalanche (APD) com resposta de comprimento de onda de 1 a 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 banda proibida (1,47 eV) e não absorve na faixa de comprimento de onda de 1,55 mm. Há evidências de que uma camada epitaxial fina de In0,52Al0,48As pode obter melhores características de ganho do que o InP como camada multiplicadora sob a condição de injeção de elétrons puros.
(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 fotodiodo de avalanche (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 bandas pode controlar artificialmente a descontinuidade assimétrica da borda da banda entre os valores da banda de condução e da banda de valência, garantindo que a descontinuidade da banda de condução seja muito maior que a descontinuidade da banda de valência (ΔEc >> ΔEv). Comparada com materiais de InGaAs em massa, a taxa de ionização de elétrons do poço quântico InGaAs/InAlAs (a) aumenta significativamente, e elétrons e lacunas ganham energia extra. Devido a ΔEc >> ΔEv, espera-se que a energia ganha pelos elétrons aumente a taxa de ionização de elétrons muito mais do que a contribuição da energia das lacunas para a taxa de ionização de lacunas (b). A razão (k) entre a taxa de ionização de elétrons e a taxa de ionização de lacunas aumenta. Portanto, um alto produto ganho-largura de banda (GBW) e baixo ruído podem ser obtidos aplicando-se estruturas de super-rede. No entanto, essa estrutura de fotodiodo de avalanche (APD) com poço quântico InGaAs/InAlAs, que pode aumentar o valor de k, é difícil de aplicar em receptores ópticos. Isso ocorre porque o fator multiplicador que afeta a responsividade máxima é limitado pela corrente escura, e não pelo ruído do multiplicador. Nessa estrutura, a corrente escura é causada principalmente pelo efeito túnel da camada de poço InGaAs com uma banda proibida estreita; assim, a introdução de uma liga quaternária com banda proibida larga, como InGaAsP ou InAlGaAs, em vez de InGaAs como camada de poço da estrutura de poço quântico, pode suprimir a corrente escura.
Data da publicação: 13/11/2023