Abstrak: Ang pangunahing istruktura at prinsipyo ng paggana ng avalanche photodetector (Detektor ng APD) ay ipinakikilala, sinusuri ang proseso ng ebolusyon ng istruktura ng aparato, binubuod ang kasalukuyang katayuan ng pananaliksik, at ang hinaharap na pag-unlad ng APD ay prospektibong pinag-aaralan.
1. Panimula
Ang photodetector ay isang aparato na nagko-convert ng mga signal ng liwanag tungo sa mga electrical signal. Sa isangsemiconductor photodetector, ang photo-generated carrier na na-excite ng incident photon ay pumapasok sa external circuit sa ilalim ng inilapat na bias voltage at bumubuo ng isang masusukat na photocurrent. Kahit na sa pinakamataas na responsiveness, ang isang PIN photodiode ay maaari lamang makagawa ng isang pares ng electron-hole pairs, na isang device na walang internal gain. Para sa mas mataas na responsiveness, maaaring gamitin ang isang avalanche photodiode (APD). Ang amplification effect ng APD sa photocurrent ay batay sa ionization collision effect. Sa ilalim ng ilang partikular na kondisyon, ang mga pinabilis na electron at hole ay maaaring makakuha ng sapat na enerhiya upang bumangga sa lattice upang makagawa ng isang bagong pares ng electron-hole pairs. Ang prosesong ito ay isang chain reaction, kaya ang pares ng electron-hole pairs na nabuo sa pamamagitan ng light absorption ay maaaring makagawa ng isang malaking bilang ng electron-hole pairs at bumuo ng isang malaking secondary photocurrent. Samakatuwid, ang APD ay may mataas na responsiveness at internal gain, na nagpapabuti sa signal-to-noise ratio ng device. Ang APD ay pangunahing gagamitin sa mga long-distance o mas maliliit na optical fiber communication system na may iba pang mga limitasyon sa natatanggap na optical power. Sa kasalukuyan, maraming eksperto sa mga kagamitang optikal ang lubos na optimistiko tungkol sa mga posibilidad ng APD, at naniniwala na ang pananaliksik sa APD ay kinakailangan upang mapahusay ang internasyonal na kompetisyon ng mga kaugnay na larangan.
2. Teknikal na pag-unlad ngphotodetector ng avalanche(APD photodetector)
2.1 Mga Materyales
(1)Si photodetector
Ang teknolohiya ng Si material ay isang mature na teknolohiya na malawakang ginagamit sa larangan ng microelectronics, ngunit hindi ito angkop para sa paghahanda ng mga aparato sa hanay ng wavelength na 1.31mm at 1.55mm na karaniwang tinatanggap sa larangan ng optical communication.
(2)Ge
Bagama't angkop ang spectral response ng Ge APD para sa mga kinakailangan ng mababang loss at mababang dispersion sa optical fiber transmission, may malalaking kahirapan sa proseso ng paghahanda. Bukod pa rito, ang electron at hole ionization rate ratio ng Ge ay malapit sa ()1, kaya mahirap maghanda ng mga high-performance APD device.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Ito ay isang epektibong paraan upang piliin ang In0.53Ga0.47As bilang light absorption layer ng APD at ang InP bilang multiplier layer. Ang absorption peak ng materyal na In0.53Ga0.47As ay 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm na wavelength ay humigit-kumulang 104cm-1 na mataas na absorption coefficient, na siyang ginustong materyal para sa absorption layer ng light detector sa kasalukuyan.
(4)Photodetector ng InGaAs/Sa loobphotodetector
Sa pamamagitan ng pagpili sa InGaAsP bilang layer na sumisipsip ng liwanag at InP bilang multiplier layer, maaaring ihanda ang APD na may response wavelength na 1-1.4mm, mataas na quantum efficiency, mababang dark current at mataas na avalanche gain. Sa pamamagitan ng pagpili ng iba't ibang bahagi ng alloy, makakamit ang pinakamahusay na performance para sa mga partikular na wavelength.
(5)InGaAs/InAlAs
Ang materyal na In0.52Al0.48As ay may band gap (1.47eV) at hindi sumisipsip sa hanay ng wavelength na 1.55mm. May ebidensya na ang manipis na epitaxial layer na In0.52Al0.48As ay maaaring makakuha ng mas mahusay na mga katangian ng gain kaysa sa InP bilang isang multiplicator layer sa ilalim ng kondisyon ng purong electron injection.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs at InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Ang impact ionization rate ng mga materyales ay isang mahalagang salik na nakakaapekto sa pagganap ng APD. Ipinapakita ng mga resulta na ang collision ionization rate ng multiplier layer ay maaaring mapabuti sa pamamagitan ng pagpapakilala ng mga istrukturang superlattice ng InGaAs (P) /InAlAs at In (Al) GaAs/InAlAs. Sa pamamagitan ng paggamit ng istrukturang superlattice, maaaring artipisyal na kontrolin ng band engineering ang asymmetric band edge discontinuity sa pagitan ng mga halaga ng conduction band at valence band, at matiyak na ang conduction band discontinuity ay mas malaki kaysa sa valence band discontinuity (ΔEc>>ΔEv). Kung ikukumpara sa mga bulk material ng InGaAs, ang quantum well electron ionization rate (a) ng InGaAs/InAlAs ay makabuluhang tumataas, at ang mga electron at hole ay nakakakuha ng karagdagang enerhiya. Dahil sa ΔEc>>ΔEv, maaaring inaasahan na ang enerhiyang nakukuha ng mga electron ay nagpapataas ng electron ionization rate nang higit pa kaysa sa kontribusyon ng hole energy sa hole ionization rate (b). Ang ratio (k) ng electron ionization rate sa hole ionization rate ay tumataas. Samakatuwid, ang mataas na gain-bandwidth product (GBW) at mababang noise performance ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paglalapat ng mga superlattice structure. Gayunpaman, ang InGaAs/InAlAs quantum well structure na APD, na maaaring magpataas ng k value, ay mahirap ilapat sa mga optical receiver. Ito ay dahil ang multiplier factor na nakakaapekto sa maximum responsiveness ay limitado ng dark current, hindi ng multiplier noise. Sa istrukturang ito, ang dark current ay pangunahing sanhi ng tunneling effect ng InGaAs well layer na may makitid na band gap, kaya ang pagpapakilala ng wide-band gap quaternary alloy, tulad ng InGaAsP o InAlGaAs, sa halip na InGaAs bilang well layer ng quantum well structure ay maaaring pumigil sa dark current.
Oras ng pag-post: Nob-13-2023