Abstrak: Struktur dasar dan prinsip kerja detektor foto longsor (Fotodetektor APD) diperkenalkan, proses evolusi struktur perangkat dianalisis, status penelitian terkini dirangkum, dan pengembangan APD di masa mendatang dipelajari secara prospektif.
1. Pendahuluan
Fotodetektor adalah perangkat yang mengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik.fotodetektor semikonduktorPembawa foton yang dihasilkan oleh foton datang memasuki sirkuit eksternal di bawah tegangan bias yang diberikan dan membentuk arus foton yang terukur. Bahkan pada responsivitas maksimum, fotodioda PIN hanya dapat menghasilkan paling banyak sepasang elektron-lubang, yang merupakan perangkat tanpa penguatan internal. Untuk responsivitas yang lebih tinggi, fotodioda avalanche (APD) dapat digunakan. Efek amplifikasi APD pada arus foton didasarkan pada efek tumbukan ionisasi. Dalam kondisi tertentu, elektron dan lubang yang dipercepat dapat memperoleh energi yang cukup untuk bertabrakan dengan kisi dan 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 foton 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 keterbatasan lain pada daya optik yang diterima. Saat ini, banyak ahli perangkat optik sangat optimis terhadap prospek APD, dan percaya bahwa penelitian APD diperlukan untuk meningkatkan daya saing internasional bidang terkait.
2. Pengembangan teknisfotodetektor longsor(fotodetektor APD)
2.1 Bahan
(1)Fotodetektor Si
Teknologi material Si merupakan teknologi matang yang banyak digunakan dalam bidang mikroelektronika, tetapi tidak cocok untuk persiapan perangkat dalam rentang panjang gelombang 1,31 mm dan 1,55 mm yang secara umum diterima dalam bidang komunikasi optik.
(2)Ge
Meskipun respons spektral APD Ge sesuai untuk persyaratan rugi-rugi rendah dan dispersi rendah dalam transmisi serat optik, terdapat kesulitan besar dalam proses preparasi. Selain itu, rasio laju ionisasi elektron dan lubang Ge mendekati ()1, sehingga sulit untuk preparasi perangkat APD berkinerja tinggi.
(3)Dalam0,53Ga0,47As/DalamP
Pemilihan In0,53Ga0,47As sebagai lapisan penyerap cahaya APD dan InP sebagai lapisan pengali merupakan metode yang efektif. Puncak serapan material In0,53Ga0,47As adalah 1,65 mm, 1,31 mm, dan panjang gelombang 1,55 mm, dengan koefisien serapan 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 avalanche tinggi dapat disiapkan. Dengan memilih komponen paduan yang berbeda, kinerja terbaik untuk panjang gelombang tertentu dapat tercapai.
(5)InGaAs/InAlAs
Material In0,52Al0,48As memiliki celah pita (1,47eV) dan tidak menyerap pada rentang panjang gelombang 1,55 mm. Terdapat bukti bahwa lapisan epitaksial In0,52Al0,48As yang tipis dapat memperoleh karakteristik penguatan yang lebih baik daripada InP sebagai lapisan pengganda dalam kondisi injeksi elektron murni.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs dan InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Laju ionisasi impak material merupakan faktor penting yang memengaruhi kinerja APD. Hasil penelitian menunjukkan bahwa laju ionisasi tumbukan lapisan pengganda dapat ditingkatkan dengan memperkenalkan struktur superkisi InGaAs(P)/InAlAs dan In(Al)GaAs/InAlAs. Dengan menggunakan struktur superkisi, rekayasa pita dapat secara artifisial mengendalikan 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 hole memperoleh energi ekstra. Karena ΔEc>>ΔEv, dapat diharapkan bahwa energi yang diperoleh elektron meningkatkan laju ionisasi elektron jauh lebih besar daripada kontribusi energi hole terhadap laju ionisasi hole (b). Rasio (k) laju ionisasi elektron terhadap laju ionisasi hole meningkat. Oleh karena itu, produk gain-bandwidth (GBW) yang tinggi dan kinerja derau yang rendah dapat diperoleh dengan menerapkan struktur superlattice. Namun, struktur sumur kuantum APD 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 derau pengali. Pada struktur ini, arus gelap terutama disebabkan oleh efek tunneling lapisan sumur InGaAs dengan celah pita yang sempit, sehingga penggunaan paduan kuartener dengan celah pita lebar, seperti InGaAsP atau InAlGaAs, alih-alih InGaAs sebagai lapisan sumur pada struktur sumur kuantum, dapat menekan arus gelap.
Waktu posting: 13-Nov-2023