Abstrak: Struktur asas dan prinsip kerja pengesan foto avalanche (Pengesan foto APD) diperkenalkan, proses evolusi struktur peranti dianalisis, status penyelidikan semasa diringkaskan, dan pembangunan APD pada masa hadapan dikaji secara prospektif.
1. Pengenalan
Pengesan foto ialah peranti yang menukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik. Dalam apengesan foto semikonduktor, pembawa janaan foto yang teruja dengan foton kejadian memasuki litar luaran di bawah voltan pincang yang digunakan dan membentuk arus foto yang boleh diukur. Walaupun pada tindak balas maksimum, fotodiod PIN hanya boleh menghasilkan sepasang pasangan lubang elektron paling banyak, iaitu peranti tanpa keuntungan dalaman. Untuk tindak balas yang lebih besar, fotodiod avalanche (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 lubang elektron yang baru. Proses ini adalah tindak balas berantai, supaya pasangan pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh penyerapan cahaya boleh menghasilkan sejumlah besar pasangan lubang elektron dan membentuk arus foto sekunder yang besar. Oleh itu, APD mempunyai tindak balas yang tinggi dan keuntungan dalaman, yang meningkatkan nisbah isyarat kepada bunyi peranti. APD akan digunakan terutamanya dalam sistem komunikasi gentian optik jarak jauh atau 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 dalam bidang berkaitan.
2. Pembangunan teknikalpengesan foto runtuhan salji(Pengesan foto APD)
2.1 Bahan
(1)Pengesan foto
Teknologi bahan Si adalah 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 besar dalam proses penyediaan. Di samping itu, nisbah kadar pengionan elektron dan lubang Ge adalah hampir kepada () 1, jadi sukar untuk menyediakan peranti APD berprestasi tinggi.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Ia adalah 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 adalah kira-kira 104cm-1 pekali penyerapan tinggi, 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 tinggi, arus gelap rendah dan keuntungan 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 epitaxial In0.52Al0.48As yang nipis boleh memperoleh ciri keuntungan yang lebih baik daripada InP sebagai lapisan pendarab di bawah keadaan suntikan elektron tulen.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs dan InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Kadar pengionan kesan bahan merupakan faktor penting yang mempengaruhi prestasi APD. Keputusan menunjukkan bahawa kadar pengionan perlanggaran lapisan pengganda boleh dipertingkatkan dengan memperkenalkan struktur superlattice InGaAs (P) /InAlAs dan In (Al) GaAs/InAlAs. Dengan menggunakan struktur superlattice, kejuruteraan jalur boleh mengawal ketakselanjaran tepi jalur asimetri secara buatan antara jalur konduksi dan nilai jalur valens, dan memastikan bahawa ketakselanjaran jalur konduksi jauh lebih besar daripada ketakselanjaran jalur valens (ΔEc>>ΔEv). Berbanding dengan bahan pukal InGaAs, InGaAs/InAlAs kadar pengionan elektron telaga kuantum (a) meningkat dengan ketara, dan elektron serta lubang mendapat tenaga tambahan. Disebabkan oleh ΔEc>>ΔEv, boleh dijangkakan bahawa tenaga yang diperolehi oleh elektron meningkatkan kadar pengionan elektron lebih banyak daripada sumbangan tenaga lubang kepada kadar pengionan lubang (b). Nisbah (k) kadar pengionan elektron kepada kadar pengionan lubang meningkat. Oleh itu, produk lebar jalur keuntungan tinggi (GBW) dan prestasi hingar rendah boleh diperoleh dengan menggunakan struktur superlattice. Walau bagaimanapun, struktur telaga kuantum InGaAs/InAlAs ini, yang boleh meningkatkan nilai k, adalah sukar untuk digunakan pada penerima optik. Ini kerana faktor pengganda yang mempengaruhi tindak balas maksimum dihadkan oleh arus gelap, bukan bunyi pengganda. Dalam struktur ini, arus gelap disebabkan terutamanya oleh kesan terowong lapisan telaga InGaAs dengan jurang jalur sempit, jadi pengenalan aloi kuaternari jurang jalur lebar, seperti InGaAsP atau InAlGaAs, bukannya InGaAs sebagai lapisan telaga struktur telaga kuantum boleh menekan arus gelap.
Masa siaran: Nov-13-2023