Zusammenfassung: Die grundlegende Struktur und das Funktionsprinzip des Lawinenphotodetektors (APD-Fotodetektor) werden vorgestellt, der Evolutionsprozess der Gerätestruktur analysiert, der aktuelle Forschungsstand zusammengefasst und die zukünftige Entwicklung der APD prospektiv untersucht.
1. Einleitung
Ein Photodetektor ist ein Gerät, das Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt. In einemHalbleiter-Fotodetektor, gelangt der durch das einfallende Photon angeregte, fotogenerierte Träger unter der angelegten Vorspannung in den externen Schaltkreis und bildet einen messbaren Fotostrom. Selbst bei maximaler Reaktionsfähigkeit kann eine PIN-Fotodiode höchstens ein Paar Elektron-Loch-Paare erzeugen; es handelt sich dabei um ein Gerät ohne interne Verstärkung. Für eine höhere Reaktionsfähigkeit kann eine Lawinenfotodiode (APD) verwendet werden. Der Verstärkungseffekt der APD auf den Fotostrom beruht auf dem Ionisationskollisionseffekt. Unter bestimmten Bedingungen können die beschleunigten Elektronen und Löcher genügend Energie aufnehmen, um mit dem Gitter zu kollidieren und ein neues Paar Elektron-Loch-Paare zu erzeugen. Dieser Prozess ist eine Kettenreaktion, sodass das durch Lichtabsorption erzeugte Paar Elektron-Loch-Paare eine große Zahl Elektron-Loch-Paare produzieren und einen großen sekundären Fotostrom bilden kann. Daher verfügt die APD über eine hohe Reaktionsfähigkeit und interne Verstärkung, was das Signal-Rausch-Verhältnis des Geräts verbessert. APDs werden hauptsächlich in Glasfaserkommunikationssystemen für große Entfernungen oder kleinere Entfernungen mit anderen Einschränkungen der empfangenen optischen Leistung eingesetzt. Viele Experten für optische Geräte sind derzeit sehr optimistisch, was die Aussichten der APD angeht, und glauben, dass die APD-Forschung notwendig ist, um die internationale Wettbewerbsfähigkeit verwandter Bereiche zu verbessern.
2. Technische Entwicklung vonLawinenphotodetektor(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 Empfindlichkeit von Ge-APDs den Anforderungen an geringe Verluste und geringe Dispersion bei der Glasfaserübertragung entspricht, ist der Herstellungsprozess mit großen Schwierigkeiten verbunden. Darüber hinaus liegt das Verhältnis der Elektronen- und Lochionisationsraten von Ge nahe () 1, sodass die Herstellung von Hochleistungs-APDs schwierig ist.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Eine effektive Methode besteht darin, In0,53Ga0,47As als Lichtabsorptionsschicht des APD und InP als Multiplikatorschicht auszuwählen. Die Absorptionsspitzen des In0,53Ga0,47As-Materials liegen bei 1,65 mm, 1,31 mm und 1,55 mm Wellenlänge. Der Absorptionskoeffizient ist etwa 104 cm-1 hoch und stellt derzeit das bevorzugte Material für die Absorptionsschicht des Lichtdetektors dar.
(4)InGaAs-Fotodetektor/InFotodetektor
Durch die Wahl 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 Wahl verschiedener Legierungskomponenten wird die beste Leistung für bestimmte Wellenlängen erreicht.
(5)InGaAs/InAlAs
Das Material In0,52Al0,48As weist eine Bandlücke von 1,47 eV auf und absorbiert im Wellenlängenbereich von 1,55 mm nicht. Es gibt Hinweise darauf, dass eine dünne epitaktische In0,52Al0,48As-Schicht unter der Bedingung reiner 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 für die Leistung von APD. 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 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). Verglichen mit InGaAs-Vollmaterialien ist die Quantentopf-Elektronenionisationsrate (a) von InGaAs/InAlAs deutlich erhöht, und Elektronen und Löcher gewinnen zusätzliche Energie. Aufgrund von ΔEc>>ΔEv ist zu erwarten, dass die durch die Elektronen gewonnene Energie die Elektronenionisationsrate viel 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-Bandbreiten-Produkt (GBW) und geringes Rauschen erzielen. Allerdings ist die Anwendung dieser APD mit InGaAs/InAlAs-Quantentopfstruktur, die den k-Wert erhöhen kann, in optischen Empfängern schwierig. Der Grund hierfür ist, dass der Multiplikatorfaktor, der die maximale Reaktionszeit 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. Daher kann die Verwendung einer quaternären Legierung mit breiter Bandlücke, wie beispielsweise InGaAsP oder InAlGaAs, anstelle von InGaAs als Topfschicht der Quantentopfstruktur den Dunkelstrom unterdrücken.
Veröffentlichungszeit: 13. November 2023