Zusammenfassung: Die Grundstruktur und das Funktionsprinzip des Lawinenfotodetektors (APD-Fotodetektor) werden vorgestellt, der Evolutionsprozess der Gerätestruktur analysiert, der aktuelle Forschungsstand zusammengefasst und die zukünftige Entwicklung von APD prospektiv untersucht.
1. Einführung
Ein Fotodetektor ist ein Gerät, das Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt. In einemHalbleiter-Fotodetektor, tritt der durch das einfallende Photon angeregte fotogenerierte Träger unter der angelegten Vorspannung in den externen Stromkreis ein und bildet einen messbaren Fotostrom. Selbst bei maximaler Reaktionsfähigkeit kann eine PIN-Fotodiode höchstens ein Paar Elektron-Loch-Paare erzeugen, was ein Gerät ohne interne Verstärkung ist. Für eine höhere Reaktionsfähigkeit kann eine Lawinenfotodiode (APD) verwendet werden. Der Verstärkungseffekt von APD auf den Photostrom basiert auf dem Ionisationskollisionseffekt. Unter bestimmten Bedingungen können die beschleunigten Elektronen und Löcher genug Energie erhalten, um mit dem Gitter zu kollidieren und ein neues Paar Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Bei diesem Prozess handelt es sich um eine Kettenreaktion, sodass das durch Lichtabsorption erzeugte Elektron-Loch-Paar eine große Anzahl von Elektron-Loch-Paaren erzeugen und einen großen sekundären Photostrom bilden kann. Daher verfügt APD über eine hohe Reaktionsfähigkeit und interne Verstärkung, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts verbessert. APD wird hauptsächlich in Kommunikationssystemen über große Entfernungen oder kleinere Glasfaserkabel mit anderen Einschränkungen hinsichtlich der empfangenen optischen Leistung verwendet. Derzeit sind viele Experten für optische Geräte hinsichtlich der Aussichten von APD sehr optimistisch und glauben, dass die Erforschung von APD notwendig ist, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit verwandter Bereiche zu verbessern.
2. Technische Entwicklung vonLawinenfotodetektor(APD-Fotodetektor)
2.1 Materialien
(1)Si-Fotodetektor
Die Si-Materialtechnologie ist eine ausgereifte Technologie, die im Bereich der Mikroelektronik weit verbreitet ist. Sie eignet sich jedoch nicht für die Herstellung von Geräten im Wellenlängenbereich von 1,31 mm und 1,55 mm, die im Bereich der optischen Kommunikation allgemein akzeptiert sind.
(2)Ge
Obwohl die spektrale Reaktion von Ge APD für die Anforderungen eines geringen Verlusts und einer geringen Dispersion bei der Glasfaserübertragung geeignet ist, gibt es große Schwierigkeiten beim Herstellungsprozess. Darüber hinaus liegt das Elektronen- und Lochionisationsratenverhältnis von Ge nahe bei () 1, sodass es schwierig ist, leistungsstarke APD-Geräte herzustellen.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Es ist eine effektive Methode, In0,53Ga0,47As als Lichtabsorptionsschicht von APD und InP als Vervielfacherschicht auszuwählen. Der Absorptionspeak des In0,53Ga0,47As-Materials liegt bei 1,65 mm, 1,31 mm, 1,55 mm Wellenlänge und einem hohen Absorptionskoeffizienten von etwa 104 cm-1, was derzeit das bevorzugte Material für die Absorptionsschicht des Lichtdetektors ist.
(4)InGaAs-Fotodetektor/InFotodetektor
Durch die Auswahl von InGaAsP als lichtabsorbierende Schicht und InP als Vervielfacherschicht können APDs mit einer Reaktionswellenlänge von 1–1,4 mm, hoher Quanteneffizienz, niedrigem Dunkelstrom und hoher Lawinenverstärkung hergestellt werden. Durch die Auswahl verschiedener Legierungskomponenten wird die beste Leistung für bestimmte Wellenlängen erreicht.
(5)InGaAs/InAlAs
In0,52Al0,48As-Material hat eine Bandlücke (1,47 eV) und absorbiert nicht im Wellenlängenbereich von 1,55 mm. Es gibt Hinweise darauf, dass eine dünne Epitaxieschicht aus In0,52Al0,48As unter der Bedingung einer reinen Elektroneninjektion bessere Verstärkungseigenschaften als InP als Multiplikatorschicht erzielen kann.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs und InGaAs/In (Al)GaAs/InAlAs
Die Stoßionisationsrate von Materialien ist ein wichtiger Faktor, der die Leistung von APD beeinflusst. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kollisionsionisationsrate der Vervielfacherschicht durch die Einführung von InGaAs (P)/InAlAs- und In (Al)GaAs/InAlAs-Übergitterstrukturen verbessert werden kann. Durch die Verwendung der Übergitterstruktur kann die Bandtechnik die asymmetrische Bandkantendiskontinuität zwischen den Leitungsband- und Valenzbandwerten künstlich steuern und sicherstellen, dass die Leitungsbanddiskontinuität viel größer ist als die Valenzbanddiskontinuität (ΔEc>>ΔEv). Im Vergleich zu InGaAs-Massenmaterialien ist die Elektronenionisationsrate (a) des Quantentopfs in InGaAs/InAlAs deutlich erhöht, und Elektronen und Löcher gewinnen zusätzliche Energie. Aufgrund von ΔEc>>ΔEv ist zu erwarten, dass die von den Elektronen gewonnene Energie die Elektronenionisationsrate viel stärker erhöht als der Beitrag der Lochenergie zur Lochionisationsrate (b). Das Verhältnis (k) der Elektronenionisationsrate zur Lochionisationsrate nimmt zu. Daher können durch den Einsatz von Übergitterstrukturen ein hohes Verstärkungsbandbreitenprodukt (GBW) und eine geringe Rauschleistung erzielt werden. Diese InGaAs/InAlAs-Quantentopfstruktur APD, die den k-Wert erhöhen kann, lässt sich jedoch nur schwer auf optische Empfänger anwenden. Dies liegt daran, dass der Multiplikatorfaktor, der die maximale Reaktionsfähigkeit beeinflusst, durch den Dunkelstrom und nicht durch das Multiplikatorrauschen begrenzt wird. In dieser Struktur wird der Dunkelstrom hauptsächlich durch den Tunneleffekt der InGaAs-Topfschicht mit schmaler Bandlücke verursacht, also durch die Einführung einer quartären Legierung mit breiter Bandlücke, wie InGaAsP oder InAlGaAs, anstelle von InGaAs als Topfschicht der Quantentopfstruktur kann den Dunkelstrom unterdrücken.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 13. November 2023