תקציר: המבנה הבסיסי ועקרון העבודה של פוטוגלאי מפולת (גלאי צילום APD) מוצגים, תהליך האבולוציה של מבנה המכשיר מנותח, סטטוס המחקר הנוכחי מסוכם, וההתפתחות העתידית של APD נחקרת באופן פרוספקטיבי.
1. הקדמה
photodetector הוא מכשיר הממיר אותות אור לאותות חשמליים. ב אגלאי צילום מוליכים למחצה, הספק שנוצר בצילום הנרגש על ידי הפוטון המתרחש נכנס למעגל החיצוני תחת מתח ההטיה המופעל ויוצר זרם פוטו הניתן למדידה. אפילו בהיענות המקסימלית, פוטודיודה PIN יכולה לייצר רק זוג זוגות אלקטרונים-חור לכל היותר, שהוא מכשיר ללא רווח פנימי. להיענות רבה יותר, ניתן להשתמש בפוטודיודת מפולת (APD). אפקט ההגברה של APD על זרם הצילום מבוסס על אפקט ההתנגשות היינון. בתנאים מסוימים, האלקטרונים והחורים המואצים יכולים לקבל מספיק אנרגיה כדי להתנגש עם הסריג כדי לייצר זוג חדש של זוגות אלקטרונים-חורים. תהליך זה הוא תגובת שרשרת, כך שצמד זוגות האלקטרונים-חורים שנוצרים על ידי ספיגת האור יכולים לייצר מספר רב של זוגות אלקטרונים-חורים וליצור זרם פוטו משני גדול. לכן, ל-APD היענות גבוהה ורווח פנימי, מה שמשפר את יחס האות לרעש של המכשיר. APD ישמש בעיקר במערכות תקשורת סיבים אופטיים למרחקים ארוכים או קטנים יותר עם מגבלות אחרות על ההספק האופטי המתקבל. נכון לעכשיו, מומחי מכשירים אופטיים רבים מאוד אופטימיים לגבי הסיכויים של APD, ומאמינים שהמחקר של APD נחוץ כדי לשפר את התחרותיות הבינלאומית של תחומים קשורים.
2. פיתוח טכני שלגלאי צילום מפולת(APD photodetector)
2.1 חומרים
(1)Si photodetector
טכנולוגיית חומרי Si היא טכנולוגיה בוגרת שנמצאת בשימוש נרחב בתחום המיקרואלקטרוניקה, אך אינה מתאימה להכנת מכשירים בטווחי אורכי גל של 1.31 מ"מ ו-1.55 מ"מ המקובלים בדרך כלל בתחום התקשורת האופטית.
(2)Ge
למרות שהתגובה הספקטרלית של Ge APD מתאימה לדרישות של הפסד נמוך ופיזור נמוך בהעברת סיבים אופטיים, ישנם קשיים גדולים בתהליך ההכנה. בנוסף, יחס קצב יינון האלקטרון והחור של Ge קרוב ל-() 1, כך שקשה להכין מכשירי APD בעלי ביצועים גבוהים.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
זוהי שיטה יעילה לבחור In0.53Ga0.47As כשכבת קליטת האור של APD ו- InP כשכבת המכפיל. שיא הספיגה של חומר In0.53Ga0.47As הוא 1.65 מ"מ, 1.31 מ"מ, 1.55 מ"מ אורך גל הוא כ-104 ס"מ-1 מקדם ספיגה גבוה, שהוא החומר המועדף עבור שכבת הספיגה של גלאי האור כיום.
(4)גלאי צילום InGaAs/inphotodetector
על ידי בחירת InGaAsP כשכבת קליטת האור ו-InP כשכבת המכפיל, ניתן להכין APD עם אורך גל תגובה של 1-1.4 מ"מ, יעילות קוונטית גבוהה, זרם כהה נמוך ורווח מפולת גבוה. על ידי בחירת רכיבי סגסוגת שונים, הביצועים הטובים ביותר עבור אורכי גל ספציפיים מושגים.
(5)InGaAs/InAlAs
לחומר In0.52Al0.48As יש פער פס (1.47eV) ואינו סופג בטווח אורכי הגל של 1.55 מ"מ. ישנן עדויות לכך ששכבה אפיטקסיאלית דקה In0.52Al0.48As יכולה להשיג מאפייני רווח טובים יותר מאשר InP כשכבת מכפיל בתנאי הזרקת אלקטרונים טהורים.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ו-InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
קצב יינון ההשפעה של חומרים הוא גורם חשוב המשפיע על הביצועים של APD. התוצאות מראות שניתן לשפר את קצב יינון ההתנגשות של שכבת המכפיל על ידי החדרת מבני רשת InGaAs (P) /InAlAs ו-In (Al) GaAs/InAlAs. על ידי שימוש במבנה הסריג העל, הנדסת הלהקה יכולה לשלוט באופן מלאכותי על חוסר המשכיות הקצה של הרצועה האסימטרית בין רצועת ההולכה וערכי רצועת הערכיות, ולהבטיח שחוסר הרציפות של פס ההולכה גדול בהרבה מחוסר המשכיות של פס הערכיות (ΔEc>>ΔEv). בהשוואה לחומרים בתפזורת של InGaAs, קצב יינון האלקטרונים הקוונטי של InGaAs/InAlAs (א) גדל באופן משמעותי, והאלקטרונים והחורים מקבלים אנרגיה נוספת. בשל ΔEc>>ΔEv, ניתן לצפות שהאנרגיה הנרכשת על ידי אלקטרונים מגדילה את קצב יינון האלקטרונים הרבה יותר מהתרומה של אנרגיית החור לקצב יינון החור (ב). היחס (k) בין קצב יינון האלקטרונים לקצב יינון החור עולה. לכן, ניתן להשיג תוצר רוחב פס גבוה (GBW) וביצועי רעש נמוכים על ידי יישום מבני סריג-על. עם זאת, APD של מבנה באר קוונטי InGaAs/InAlAs זה, שיכול להגדיל את ערך k, קשה ליישום על מקלטים אופטיים. הסיבה לכך היא שגורם המכפיל המשפיע על ההיענות המקסימלית מוגבל על ידי הזרם האפל, לא על ידי רעש המכפיל. במבנה זה, הזרם הכהה נגרם בעיקר על ידי אפקט המנהור של שכבת באר InGaAs עם מרווח פס צר, כך שהכנסת סגסוגת רבעונית בעלת פס רחב, כגון InGaAsP או InAlGaAs, במקום InGaAs כשכבת הבאר. של מבנה הבאר הקוונטית יכול לדכא את הזרם האפל.
זמן פרסום: 13 בנובמבר 2023