Zusammenfassung: Die grundlegende Struktur und das Funktionsprinzip des Lawinenfotodetektors (APD-Fotodetektor) werden vorgestellt, der Evolutionsprozess der Gerätestruktur wird analysiert, der aktuelle Forschungsstand wird zusammengefasst und die zukünftige Entwicklung von APD wird vorausschauend untersucht.
1. Einleitung
Ein Fotodetektor ist ein Gerät, das Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt.Halbleiter-FotodetektorDie durch einfallende Photonen angeregten Ladungsträger gelangen unter angelegter Vorspannung in den externen Stromkreis und erzeugen einen messbaren Photostrom. Selbst bei maximaler Empfindlichkeit kann eine PIN-Photodiode höchstens ein Elektron-Loch-Paar erzeugen und besitzt daher keine interne Verstärkung. Für eine höhere Empfindlichkeit kann eine Lawinenphotodiode (APD) eingesetzt werden. Der Verstärkungseffekt der APD auf den Photostrom basiert auf dem Ionisationsstoßeffekt. Unter bestimmten Bedingungen können die beschleunigten Elektronen und Löcher genügend Energie aufnehmen, um mit dem Kristallgitter zu kollidieren und ein neues Elektron-Loch-Paar zu erzeugen. Dieser Prozess ist eine Kettenreaktion, sodass die durch Lichtabsorption erzeugten Elektron-Loch-Paare eine große Anzahl weiterer Elektron-Loch-Paare erzeugen und einen hohen sekundären Photostrom bilden können. Daher weist die APD eine hohe Empfindlichkeit und interne Verstärkung auf, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Bauelements verbessert. APDs werden hauptsächlich in optischen Kommunikationssystemen mit großer Reichweite oder kleineren Glasfasern eingesetzt, bei denen die empfangene optische Leistung begrenzt ist. Viele Experten für optische Geräte sind derzeit sehr optimistisch, was die Zukunftsaussichten von APDs angeht, und glauben, dass die Forschung an APDs notwendig ist, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit verwandter Bereiche zu steigern.
2. Technische Entwicklung vonLawinenfotodetektor(APD-Fotodetektor)
2.1 Materialien
(1)Si-Photodetektor
Die Si-Materialtechnologie ist eine ausgereifte Technologie, die im Bereich der Mikroelektronik weit verbreitet ist, eignet sich jedoch nicht zur Herstellung von Bauelementen im Wellenlängenbereich von 1,31 mm und 1,55 mm, der im Bereich der optischen Kommunikation allgemein akzeptiert wird.
(2)Ge
Obwohl die spektrale Empfindlichkeit von Germanium-APDs für die Anforderungen geringer Verluste und geringer Dispersion in der optischen Faserübertragung geeignet ist, bestehen erhebliche Schwierigkeiten im Herstellungsprozess. Darüber hinaus liegt das Verhältnis der Elektronen- und Lochionisationsraten von Germanium nahe bei 1, was die Herstellung von Hochleistungs-APDs erschwert.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Die Auswahl von In0,53Ga0,47As als Lichtabsorptionsschicht für APDs und InP als Multiplikatorschicht ist eine effektive Methode. Die Absorptionsmaxima von In0,53Ga0,47As liegen bei Wellenlängen von 1,65 mm, 1,31 mm und 1,55 mm. Mit einem hohen Absorptionskoeffizienten von etwa 104 cm-1 ist es derzeit das bevorzugte Material für die Absorptionsschicht von Lichtdetektoren.
(4)InGaAs-Photodetektor/InFotodetektor
Durch die Wahl von InGaAsP als lichtabsorbierender Schicht und InP als Multiplikatorschicht lassen sich APDs mit einer Ansprechwellenlänge von 1–1,4 mm, hoher Quanteneffizienz, niedrigem Dunkelstrom und hoher Lawinenverstärkung herstellen. Durch die Auswahl unterschiedlicher Legierungskomponenten wird die optimale Leistung für spezifische Wellenlängen erzielt.
(5)InGaAs/InAlAs
Das Material In0,52Al0,48As besitzt eine Bandlücke von 1,47 eV und absorbiert nicht im Wellenlängenbereich von 1,55 µm. Es gibt Hinweise darauf, dass eine dünne In0,52Al0,48As-Epitaxieschicht unter reiner Elektroneninjektion bessere Verstärkungseigenschaften als InP als Multiplikatorschicht aufweist.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs und InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Die Stoßionisationsrate von Materialien ist ein wichtiger Faktor für die Leistung von APDs. Die Ergebnisse zeigen, dass die Stoßionisationsrate der Multiplikatorschicht durch die Einführung von InGaAs(P)/InAlAs- und In(Al)GaAs/InAlAs-Übergitterstrukturen verbessert werden kann. Mithilfe der Übergitterstruktur lässt sich die asymmetrische Bandkantendiskontinuität zwischen Leitungs- und Valenzband gezielt steuern, sodass die Diskontinuität des Leitungsbandes deutlich größer ist als die des Valenzbandes (ΔEc >> ΔEv). Im Vergleich zu InGaAs-Bulkmaterialien ist die Elektronenionisationsrate (a) in InGaAs/InAlAs-Quantentöpfen signifikant erhöht, und Elektronen und Löcher gewinnen zusätzliche Energie. Aufgrund von ΔEc >> ΔEv ist zu erwarten, dass die von den Elektronen gewonnene Energie die Elektronenionisationsrate deutlich stärker erhöht als der Beitrag der Lochenergie zur Lochionisationsrate (b). Das Verhältnis (k) der Elektronenionisationsrate zur Lochionisationsrate steigt. Daher lassen sich durch den Einsatz von Übergitterstrukturen ein hohes Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (GBW) und geringes Rauschen erzielen. Allerdings ist diese InGaAs/InAlAs-Quantenfilmstruktur-APD, die den k-Wert erhöhen kann, nur schwer für optische Empfänger geeignet. Dies liegt daran, dass der Multiplikatorfaktor, der die maximale Empfindlichkeit beeinflusst, nicht durch das Multiplikatorrauschen, sondern durch den Dunkelstrom begrenzt wird. In dieser Struktur wird der Dunkelstrom hauptsächlich durch den Tunneleffekt der InGaAs-Quantenfilmschicht mit schmaler Bandlücke verursacht. Daher kann der Dunkelstrom durch die Verwendung einer quaternären Legierung mit breiter Bandlücke, wie beispielsweise InGaAsP oder InAlGaAs, anstelle von InGaAs als Quantenfilmschicht der Struktur unterdrückt werden.
Veröffentlichungsdatum: 13. November 2023