Abstrak: Struktur dasar dan prinsip kerja fotodetektor longsoran (Fotodetektor APD) diperkenalkan, proses evolusi struktur perangkat dianalisis, status penelitian saat ini dirangkum, dan perkembangan APD di masa depan dipelajari secara prospektif.
1. Pendahuluan
Fotodetektor adalah perangkat yang mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik. Dalam sebuahfotodetektor semikonduktorPembawa muatan yang dihasilkan oleh foton yang datang memasuki sirkuit eksternal di bawah tegangan bias yang diterapkan dan membentuk arus foto terukur. Bahkan pada responsivitas maksimum, fotodioda PIN hanya dapat menghasilkan paling banyak sepasang pasangan elektron-lubang, yang merupakan perangkat tanpa penguatan internal. Untuk responsivitas yang lebih besar, fotodioda longsoran (APD) dapat digunakan. Efek amplifikasi APD pada arus foto didasarkan pada efek tumbukan ionisasi. Dalam kondisi tertentu, elektron dan lubang yang dipercepat dapat memperoleh energi yang cukup untuk bertumbukan dengan kisi untuk menghasilkan pasangan elektron-lubang baru. Proses ini merupakan reaksi berantai, sehingga pasangan elektron-lubang yang dihasilkan oleh penyerapan cahaya dapat menghasilkan sejumlah besar pasangan elektron-lubang dan membentuk arus foto sekunder yang besar. Oleh karena itu, APD memiliki responsivitas dan penguatan internal yang tinggi, yang meningkatkan rasio sinyal terhadap derau perangkat. APD terutama akan digunakan dalam sistem komunikasi serat optik jarak jauh atau yang lebih kecil dengan batasan lain pada daya optik yang diterima. Saat ini, banyak pakar perangkat optik sangat optimis tentang prospek APD, dan percaya bahwa penelitian tentang APD diperlukan untuk meningkatkan daya saing internasional di bidang terkait.
2. Pengembangan teknis daridetektor foto longsoran salju(Detektor foto APD)
2.1 Bahan
(1)fotodetektor Si
Teknologi material Si merupakan teknologi yang sudah mapan dan banyak digunakan di bidang mikroelektronika, namun tidak cocok untuk pembuatan perangkat pada rentang panjang gelombang 1,31 mm dan 1,55 mm yang umumnya diterima di bidang komunikasi optik.
(2)Ge
Meskipun respons spektral Ge APD sesuai untuk persyaratan kerugian rendah dan dispersi rendah dalam transmisi serat optik, terdapat kesulitan besar dalam proses pembuatannya. Selain itu, rasio laju ionisasi elektron dan lubang Ge mendekati () 1, sehingga sulit untuk membuat perangkat APD berkinerja tinggi.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Metode yang efektif adalah memilih In0.53Ga0.47As sebagai lapisan penyerap cahaya APD dan InP sebagai lapisan pengali. Puncak penyerapan material In0.53Ga0.47As berada pada panjang gelombang 1,65 mm, 1,31 mm, dan 1,55 mm dengan koefisien penyerapan tinggi sekitar 104 cm⁻¹, yang merupakan material pilihan untuk lapisan penyerap detektor cahaya saat ini.
(4)Fotodetektor InGaAs/Di dalamfotodetektor
Dengan memilih InGaAsP sebagai lapisan penyerap cahaya dan InP sebagai lapisan pengali, APD dengan panjang gelombang respons 1-1,4 mm, efisiensi kuantum tinggi, arus gelap rendah, dan penguatan longsoran tinggi dapat dibuat. Dengan memilih komponen paduan yang berbeda, kinerja terbaik untuk panjang gelombang tertentu dapat dicapai.
(5)InGaAs/InAlAs
Material In0.52Al0.48As memiliki celah pita (1,47 eV) dan tidak menyerap pada rentang panjang gelombang 1,55 mm. Terdapat bukti bahwa lapisan epitaksial tipis In0.52Al0.48As dapat memperoleh karakteristik penguatan yang lebih baik daripada InP sebagai lapisan pengali dalam kondisi injeksi elektron murni.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs dan InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Laju ionisasi tumbukan material merupakan faktor penting yang mempengaruhi kinerja APD. Hasil penelitian menunjukkan bahwa laju ionisasi tumbukan lapisan pengali dapat ditingkatkan dengan memperkenalkan struktur superlatis InGaAs (P) /InAlAs dan In (Al) GaAs/InAlAs. Dengan menggunakan struktur superlatis, rekayasa pita dapat secara artifisial mengontrol diskontinuitas tepi pita asimetris antara nilai pita konduksi dan pita valensi, dan memastikan bahwa diskontinuitas pita konduksi jauh lebih besar daripada diskontinuitas pita valensi (ΔEc>>ΔEv). Dibandingkan dengan material curah InGaAs, laju ionisasi elektron sumur kuantum InGaAs/InAlAs (a) meningkat secara signifikan, dan elektron serta lubang memperoleh energi tambahan. Karena ΔEc>>ΔEv, dapat diharapkan bahwa energi yang diperoleh elektron meningkatkan laju ionisasi elektron jauh lebih besar daripada kontribusi energi lubang terhadap laju ionisasi lubang (b). Rasio (k) laju ionisasi elektron terhadap laju ionisasi lubang meningkat. Oleh karena itu, produk gain-bandwidth (GBW) yang tinggi dan kinerja noise yang rendah dapat diperoleh dengan menerapkan struktur superlatis. Namun, struktur APD sumur kuantum InGaAs/InAlAs ini, yang dapat meningkatkan nilai k, sulit diterapkan pada penerima optik. Hal ini karena faktor pengali yang memengaruhi responsivitas maksimum dibatasi oleh arus gelap, bukan noise pengali. Dalam struktur ini, arus gelap terutama disebabkan oleh efek penerowongan lapisan sumur InGaAs dengan celah pita sempit, sehingga pengenalan paduan kuaterner celah pita lebar, seperti InGaAsP atau InAlGaAs, sebagai pengganti InGaAs sebagai lapisan sumur struktur sumur kuantum dapat menekan arus gelap.
Waktu posting: 13 November 2023