Ձնահոսքի ֆոտոդետեկտորի սկզբունքը և ներկա իրավիճակը (APD ֆոտոդետեկտոր) Մաս առաջին

Համառոտագիր. Ձնահոսքի ֆոտոդետեկտորի հիմնական կառուցվածքը և աշխատանքի սկզբունքը (APD ֆոտոդետեկտոր) ներկայացվում են, վերլուծվում է սարքի կառուցվածքի էվոլյուցիայի գործընթացը, ամփոփվում է հետազոտության ներկա կարգավիճակը և հեռանկարային ուսումնասիրվում է APD-ի հետագա զարգացումը:

1. Ներածություն
Ֆոտոդետեկտորը մի սարք է, որը լուսային ազդանշանները վերածում է էլեկտրական ազդանշանների: Ակիսահաղորդչային ֆոտոդետեկտոր, ֆոտոգեներացված կրիչը, որը գրգռված է միջադեպի ֆոտոնով, մտնում է արտաքին միացում կիրառվող կողմնակալության լարման տակ և ձևավորում է չափելի ֆոտոհոսանք։ Նույնիսկ առավելագույն արձագանքման դեպքում PIN ֆոտոդիոդը կարող է արտադրել առավելագույնը միայն մի զույգ էլեկտրոն-անցք զույգեր, ինչը սարքավորում է առանց ներքին շահույթի: Ավելի մեծ արձագանքման համար կարող է օգտագործվել ավալանշային ֆոտոդիոդ (APD): APD-ի ուժեղացման ազդեցությունը ֆոտոհոսանքի վրա հիմնված է իոնացման բախման էֆեկտի վրա: Որոշակի պայմաններում արագացված էլեկտրոնները և անցքերը կարող են բավարար էներգիա ստանալ ցանցի հետ բախվելու համար՝ ստեղծելու նոր զույգ էլեկտրոն-անցք զույգեր: Այս գործընթացը շղթայական ռեակցիա է, այնպես որ լույսի կլանման արդյունքում առաջացած էլեկտրոն-անցք զույգերը կարող են առաջացնել մեծ թվով էլեկտրոն-անցք զույգեր և ձևավորել մեծ երկրորդական ֆոտոհոսանք: Հետևաբար, APD-ն ունի բարձր արձագանքողություն և ներքին շահույթ, ինչը բարելավում է սարքի ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը: APD-ը հիմնականում կօգտագործվի հեռավոր կամ ավելի փոքր օպտիկամանրաթելային կապի համակարգերում՝ ստացված օպտիկական հզորության այլ սահմանափակումներով: Ներկայումս օպտիկական սարքերի շատ փորձագետներ շատ լավատես են APD-ի հեռանկարների վերաբերյալ և կարծում են, որ APD-ի հետազոտությունն անհրաժեշտ է հարակից ոլորտների միջազգային մրցունակությունը բարձրացնելու համար:

2. Տեխնիկական զարգացումավալանշ ֆոտոդետեկտոր(APD ֆոտոդետեկտոր)

2.1 Նյութեր
(1)Si photodetector
Si նյութական տեխնոլոգիան հասուն տեխնոլոգիա է, որը լայնորեն կիրառվում է միկրոէլեկտրոնիկայի ոլորտում, սակայն այն հարմար չէ 1,31 մմ և 1,55 մմ ալիքի երկարության տիրույթում սարքերի պատրաստման համար, որոնք ընդհանուր առմամբ ընդունված են օպտիկական հաղորդակցության ոլորտում:

(2) Ge
Թեև Ge APD-ի սպեկտրալ արձագանքը հարմար է օպտիկական մանրաթելերի հաղորդման մեջ ցածր կորստի և ցածր ցրվածության պահանջներին, պատրաստման գործընթացում մեծ դժվարություններ կան: Բացի այդ, Ge-ի էլեկտրոնների և անցքերի իոնացման արագության հարաբերակցությունը մոտ է () 1-ին, ուստի դժվար է բարձր արդյունավետությամբ APD սարքեր պատրաստել:

(3)In0.53Ga0.47As/InP
Արդյունավետ մեթոդ է ընտրել In0.53Ga0.47As-ը որպես APD-ի լույսի կլանման շերտ և InP-ն որպես բազմապատկիչ շերտ: In0.53Ga0.47As նյութի կլանման գագաթնակետը 1.65 մմ է, 1.31 մմ, 1.55 մմ ալիքի երկարությունը մոտ 104 սմ-1 բարձր կլանման գործակից է, որը ներկայումս լույսի դետեկտորի կլանման շերտի համար նախընտրելի նյութն է:

(4)InGaAs ֆոտոդետեկտոր/Մտֆոտոդետեկտոր
Ընտրելով InGaAsP-ը որպես լույս կլանող շերտ և InP-ը՝ որպես բազմապատկիչ շերտ, կարելի է պատրաստել APD՝ արձագանքման ալիքի 1-1,4 մմ երկարությամբ, բարձր քվանտային արդյունավետությամբ, ցածր մութ հոսանքով և ավալանշի բարձր աճով: Ընտրելով համաձուլվածքների տարբեր բաղադրիչներ, ձեռք է բերվում լավագույն կատարումը որոշակի ալիքի երկարությունների համար:

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As նյութն ունի ժապավենի բացվածք (1.47eV) և չի ներծծվում 1.55 մմ ալիքի երկարության միջակայքում: Կա ապացույց, որ բարակ In0.52Al0.48As էպիտաքսիալ շերտը մաքուր էլեկտրոնի ներարկման պայմաններում կարող է ձեռք բերել ավելի լավ ձեռքբերման բնութագրեր, քան InP-ն որպես բազմապատկիչ շերտ:

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs և InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Նյութերի ազդեցության իոնացման արագությունը կարևոր գործոն է, որն ազդում է APD-ի աշխատանքի վրա: Արդյունքները ցույց են տալիս, որ բազմապատկիչ շերտի բախման իոնացման արագությունը կարող է բարելավվել՝ ներմուծելով InGaAs (P) /InAlAs և In (Al) GaAs/InAlAs գերցանցային կառուցվածքները: Գերցանցային կառուցվածքի կիրառմամբ՝ ժապավենի ինժեները կարող է արհեստականորեն վերահսկել հաղորդման գոտու և վալենտական ​​գոտու արժեքների միջև ասիմետրիկ եզրային անջրպետը և ապահովել, որ հաղորդման գոտու անջատումը շատ ավելի մեծ է, քան վալենտային գոտու անջրպետը (ΔEc>>ΔEv): Համեմատած InGaAs զանգվածային նյութերի հետ՝ InGaAs/InAlAs քվանտային հորերի էլեկտրոնների իոնացման արագությունը (a) զգալիորեն ավելացել է, և էլեկտրոններն ու անցքերը ստանում են լրացուցիչ էներգիա: ΔEc>>ΔEv-ի շնորհիվ կարելի է ակնկալել, որ էլեկտրոնների ստացած էներգիան շատ ավելի մեծացնում է էլեկտրոնի իոնացման արագությունը, քան անցքի էներգիայի ներդրումը անցքերի իոնացման արագության մեջ (b): Էլեկտրոնների իոնացման արագության և անցքերի իոնացման արագության հարաբերակցությունը (k) մեծանում է: Հետևաբար, բարձր շահույթի թողունակության արտադրանքը (GBW) և ցածր աղմուկի կատարումը կարելի է ձեռք բերել գերվանդակային կառուցվածքների կիրառմամբ: Այնուամենայնիվ, այս InGaAs/InAlAs քվանտային հորերի APD կառուցվածքը, որը կարող է մեծացնել k արժեքը, դժվար է կիրառել օպտիկական ընդունիչների համար: Դա պայմանավորված է նրանով, որ բազմապատկիչ գործոնը, որն ազդում է առավելագույն արձագանքման վրա, սահմանափակվում է մութ հոսանքով, այլ ոչ թե բազմապատկիչ աղմուկով: Այս կառուցվածքում մութ հոսանքը հիմնականում պայմանավորված է InGaAs ջրհորի շերտի թունելային ազդեցությամբ՝ նեղ շերտի բացվածքով, ուստի լայնաշերտ բացվածքի չորրորդական համաձուլվածքի ներդրումը, ինչպիսին է InGaAsP-ը կամ InAlGaAs-ը, InGaAs-ի փոխարեն որպես ջրհորի շերտ: քվանտային հորերի կառուցվածքը կարող է ճնշել մութ հոսանքը: