Abstrak: Struktur asas dan prinsip kerja pengesan foto runtuhan salji (Pengesan foto APD) diperkenalkan, proses evolusi struktur peranti dianalisis, status penyelidikan semasa diringkaskan, dan perkembangan APD pada masa hadapan dikaji secara prospektif.
1. Pengenalan
Fotodetektor ialah peranti yang menukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik. Dalampengesan foto semikonduktor, pembawa foto yang dijana oleh foton yang datang memasuki litar luaran di bawah voltan bias yang dikenakan dan membentuk arus foto yang boleh diukur. Walaupun pada daya tindak balas maksimum, fotodiod PIN hanya boleh menghasilkan sepasang pasangan elektron-lubang paling banyak, yang merupakan peranti tanpa gandaan dalaman. Untuk daya tindak balas yang lebih tinggi, fotodiod longsoran salji (APD) boleh digunakan. Kesan penguatan APD pada arus foto adalah berdasarkan kesan perlanggaran pengionan. Di bawah keadaan tertentu, elektron dan lubang yang dipercepatkan boleh memperoleh tenaga yang mencukupi untuk berlanggar dengan kekisi untuk menghasilkan sepasang pasangan elektron-lubang baharu. Proses ini merupakan tindak balas berantai, supaya pasangan pasangan elektron-lubang yang dijana oleh penyerapan cahaya boleh menghasilkan sebilangan besar pasangan elektron-lubang dan membentuk arus foto sekunder yang besar. Oleh itu, APD mempunyai daya tindak balas dan gandaan dalaman yang tinggi, yang meningkatkan nisbah isyarat-ke-hingar peranti. APD terutamanya akan digunakan dalam sistem komunikasi gentian optik jarak jauh atau yang lebih kecil dengan batasan lain pada kuasa optik yang diterima. Pada masa ini, ramai pakar peranti optik sangat optimistik tentang prospek APD, dan percaya bahawa penyelidikan APD adalah perlu untuk meningkatkan daya saing antarabangsa bagi bidang berkaitan.
2. Pembangunan teknikal bagipengesan foto runtuhan salji(Pengesan foto APD)
2.1 Bahan
(1)Pengesan foto Si
Teknologi bahan Si merupakan teknologi matang yang digunakan secara meluas dalam bidang mikroelektronik, tetapi ia tidak sesuai untuk penyediaan peranti dalam julat panjang gelombang 1.31mm dan 1.55mm yang diterima umum dalam bidang komunikasi optik.
(2)Ge
Walaupun tindak balas spektrum Ge APD sesuai untuk keperluan kehilangan rendah dan penyebaran rendah dalam penghantaran gentian optik, terdapat kesukaran yang besar dalam proses penyediaan. Di samping itu, nisbah kadar pengionan elektron dan lubang Ge hampir dengan ()1, jadi sukar untuk menyediakan peranti APD berprestasi tinggi.
(3) Dalam 0.53 Ga 0.47 As/ Dalam P
Ia merupakan kaedah yang berkesan untuk memilih In0.53Ga0.47As sebagai lapisan penyerapan cahaya APD dan InP sebagai lapisan pengganda. Puncak penyerapan bahan In0.53Ga0.47As ialah 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm panjang gelombang dan pekali penyerapan tinggi kira-kira 104cm-1, yang merupakan bahan pilihan untuk lapisan penyerapan pengesan cahaya pada masa ini.
(4)Pengesan foto InGaAs/Dalampengesan foto
Dengan memilih InGaAsP sebagai lapisan penyerap cahaya dan InP sebagai lapisan pengganda, APD dengan panjang gelombang tindak balas 1-1.4mm, kecekapan kuantum yang tinggi, arus gelap yang rendah dan gandaan runtuhan salji yang tinggi boleh disediakan. Dengan memilih komponen aloi yang berbeza, prestasi terbaik untuk panjang gelombang tertentu dicapai.
(5)InGaAs/InAlAs
Bahan In0.52Al0.48As mempunyai jurang jalur (1.47eV) dan tidak menyerap pada julat panjang gelombang 1.55mm. Terdapat bukti bahawa lapisan epitaksi In0.52Al0.48As yang nipis boleh memperoleh ciri gandaan yang lebih baik daripada InP sebagai lapisan pengganda di bawah keadaan suntikan elektron tulen.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs dan InGaAs/Dalam (Al) GaAs/InAlAs
Kadar pengionan hentaman bahan merupakan faktor penting yang mempengaruhi prestasi APD. Keputusan menunjukkan bahawa kadar pengionan perlanggaran lapisan pengganda boleh diperbaiki dengan memperkenalkan struktur superkisi InGaAs (P)/InAlAs dan In(Al)GaAs/InAlAs. Dengan menggunakan struktur superkisi, kejuruteraan jalur boleh mengawal secara buatan ketakselanjaran tepi jalur asimetri antara nilai jalur konduksi dan jalur valens, dan memastikan bahawa ketakselanjaran jalur konduksi jauh lebih besar daripada ketakselanjaran jalur valens (ΔEc>>ΔEv). Berbanding dengan bahan pukal InGaAs, kadar pengionan elektron telaga kuantum InGaAs/InAlAs (a) meningkat dengan ketara, dan elektron dan lubang memperoleh tenaga tambahan. Disebabkan oleh ΔEc>>ΔEv, boleh dijangkakan bahawa tenaga yang diperoleh oleh elektron meningkatkan kadar pengionan elektron jauh lebih tinggi daripada sumbangan tenaga lubang kepada kadar pengionan lubang (b). Nisbah (k) kadar pengionan elektron kepada kadar pengionan lubang meningkat. Oleh itu, produk lebar jalur gandaan yang tinggi (GBW) dan prestasi hingar yang rendah boleh diperolehi dengan menggunakan struktur superkekisi. Walau bagaimanapun, struktur telaga kuantum InGaAs/InAlAs APD ini, yang boleh meningkatkan nilai k, sukar untuk digunakan pada penerima optik. Ini kerana faktor pengganda yang mempengaruhi daya tindak balas maksimum dihadkan oleh arus gelap, bukan hingar pengganda. Dalam struktur ini, arus gelap terutamanya disebabkan oleh kesan terowong lapisan telaga InGaAs dengan jurang jalur yang sempit, jadi pengenalan aloi kuaterner jurang jalur lebar, seperti InGaAsP atau InAlGaAs, dan bukannya InGaAs sebagai lapisan telaga struktur telaga kuantum boleh menyekat arus gelap.
Masa siaran: 13 Nov-2023