Resumo: A estrutura básica e 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 capacidade de resposta máxima, um fotodiodo PIN só pode produzir no máximo um par de pares elétron-buraco, 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.Este 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 possui 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.Actualmente, muitos especialistas em dispositivos ópticos estão muito optimistas sobre as perspectivas da APD e acreditam que a investigação da 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 material 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 aceitos no campo da comunicação óptica.
(2)Gé
Embora a resposta espectral do Ge APD seja adequada aos requisitos de baixa perda e baixa dispersão na transmissão de fibra óptica, existem grandes dificuldades no processo de preparação.Além disso, a razão da taxa de ionização de elétrons e buracos de Ge é próxima de () 1, por isso é difícil preparar dispositivos APD de alto desempenho.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
É um método eficaz selecionar In0,53Ga0,47As como a camada de absorção de luz do APD e InP como a camada multiplicadora.O pico de absorção do material In0,53Ga0,47As é de 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm de comprimento de onda é de cerca de 104 cm-1 de alto coeficiente de absorção, que é o material preferido para a camada de absorção do detector de luz atualmente.
(4)Fotodetector InGaAs/Emfotodetector
Ao selecionar InGaAsP como camada absorvente de luz e InP como camada multiplicadora, pode-se preparar APD com comprimento de onda de resposta de 1-1,4 mm, alta eficiência quântica, baixa corrente escura e alto ganho de avalanche.Ao selecionar diferentes componentes de liga, é alcançado o melhor desempenho para comprimentos de onda específicos.
(5)InGaAs/InAlAs
O material In0.52Al0.48As tem um band gap (1,47eV) e não absorve na faixa de comprimento de onda de 1,55 mm.Há evidências de que a fina camada epitaxial In0.52Al0.48As pode obter melhores características de ganho do que 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 de colisão da camada multiplicadora pode ser melhorada pela introdução de estruturas de superrede InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs.Ao usar a estrutura de superrede, 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 que a descontinuidade da banda de valência (ΔEc >> ΔEv).Em comparação com materiais a granel InGaAs, a taxa de ionização de elétrons de poço quântico InGaAs / InAlAs (a) é significativamente aumentada, e elétrons e buracos ganham energia extra.Devido a ΔEc >> ΔEv, pode-se esperar que a energia adquirida pelos elétrons aumente a taxa de ionização de elétrons muito mais do que a contribuição da energia do buraco para a taxa de ionização do buraco (b).A razão (k) entre a taxa de ionização de elétrons e a taxa de ionização de buracos aumenta.Portanto, produto de alto ganho-largura de banda (GBW) e desempenho de baixo ruído podem ser obtidos através da aplicação de estruturas super-redes.No entanto, este APD de estrutura de poço quântico InGaAs / InAlAs, que pode aumentar o valor 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, e não pelo ruído multiplicador.Nesta estrutura, a corrente escura é causada principalmente pelo efeito de tunelamento da camada do poço InGaAs com um gap estreito, então a introdução de uma liga quaternária de gap largo, como InGaAsP ou InAlGaAs, em vez de InGaAs como a camada do poço da estrutura do poço quântico pode suprimir a corrente escura.
Horário da postagem: 13 de novembro de 2023