העיקרון והמצב הנוכחי של גלאי פוטו-מפולות (גלאי פוטו-מפולות APD) חלק ראשון

תקציר: המבנה הבסיסי ועקרון הפעולה של גלאי פוטו-מפולת (גלאי פוטו APD) מוצגים, מנותח תהליך האבולוציה של מבנה המכשיר, מסוכם סטטוס המחקר הנוכחי, ונחקר באופן פרוספקטיבי הפיתוח העתידי של APD.

1. מבוא
גלאי אור הוא מכשיר הממיר אותות אור לאותות חשמליים.גלאי פוטו-מוליך למחצה, נושא הגל שנוצר על ידי הפוטון הפוגע נכנס למעגל החיצוני תחת מתח הטיה מופעל ויוצר זרם פוטוכימי מדיד. אפילו בתגובתיות מקסימלית, פוטודיודה מסוג PIN יכולה לייצר לכל היותר רק זוג זוגות של אלקטרון-חור, וזהו התקן ללא הגבר פנימי. לתגובתיות רבה יותר, ניתן להשתמש בפוטודיודה מסוג מפולת (APD). אפקט ההגברה של APD על הזרם הפוטוכימי מבוסס על אפקט התנגשות היינון. בתנאים מסוימים, האלקטרונים והחורים המואצים יכולים להשיג מספיק אנרגיה כדי להתנגש בסריג וליצור זוג חדש של זוגות של אלקטרון-חור. תהליך זה הוא תגובת שרשרת, כך שזוג זוגות האלקטרון-חור שנוצר על ידי בליעת אור יכול לייצר מספר רב של זוגות של אלקטרון-חור וליצור זרם פוטוכימי משני גדול. לכן, ל-APD יש תגובה גבוהה והגבר פנימי, מה שמשפר את יחס האות לרעש של ההתקן. APD ישמש בעיקר במערכות תקשורת ארוכות טווח או קטנות יותר באמצעות סיבים אופטיים עם מגבלות אחרות על ההספק האופטי הנקלט. כיום, מומחים רבים למכשור אופטימי מאוד לגבי סיכויי APD, ומאמינים כי מחקר APD נחוץ כדי לשפר את התחרותיות הבינלאומית של תחומים קשורים.

2. פיתוח טכני שלגלאי פוטו של מפולת שלגים(גלאי פוטו APD)

2.1 חומרים
(1)גלאי פוטו סיליציום
טכנולוגיית חומר הסיליקון היא טכנולוגיה בוגרת הנמצאת בשימוש נרחב בתחום המיקרואלקטרוניקה, אך היא אינה מתאימה להכנת התקנים בטווח אורכי הגל של 1.31 מ"מ ו-1.55 מ"מ המקובלים בדרך כלל בתחום התקשורת האופטית.

(2) ג'י
למרות שהתגובה הספקטרלית של Ge APD מתאימה לדרישות של הפסדים נמוכים ופיזור נמוך בהעברת סיבים אופטיים, קיימים קשיים גדולים בתהליך ההכנה. בנוסף, יחס קצב יינון האלקטרונים והחורים של Ge קרוב ל-() 1, ולכן קשה להכין התקני APD בעלי ביצועים גבוהים.

(3) ב-0.53Ga0.47As/ב-P
זוהי שיטה יעילה לבחור ב-In0.53Ga0.47As כשכבת ספיגת האור של APD וב-InP כשכבת המכפיל. שיא הקליטה של ​​החומר In0.53Ga0.47As הוא 1.65 מ"מ, 1.31 מ"מ, אורך גל של 1.55 מ"מ הוא כ-104 ס"מ-1, שהוא החומר המועדף כיום לשכבת הקליטה של ​​גלאי אור.

(4)גלאי פוטו InGaAs/בתוךגלאי אור
על ידי בחירת InGaAsP כשכבת סופחת האור ו-InP כשכבת המכפיל, ניתן להכין APD עם אורך גל תגובה של 1-1.4 מ"מ, יעילות קוונטית גבוהה, זרם חושך נמוך והגבר מפולת גבוה. על ידי בחירת רכיבי סגסוגת שונים, מושגים הביצועים הטובים ביותר עבור אורכי גל ספציפיים.

(5) InGaAs/InAlAs
לחומר In0.52Al0.48As יש פער אנרגיה (1.47eV) והוא אינו סופג קרינה בטווח אורך גל של 1.55 מ"מ. ישנן עדויות לכך ששכבה אפיטקסיאלית דקה של In0.52Al0.48As יכולה להשיג מאפייני הגבר טובים יותר מאשר InP כשכבת מכפיל בתנאי הזרקת אלקטרונים טהורה.

(6) InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs ו- InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
קצב יינון הפגיעה של חומרים הוא גורם חשוב המשפיע על ביצועי APD. התוצאות מראות כי ניתן לשפר את קצב יינון ההתנגשות של שכבת המכפיל על ידי הכנסת מבני סופר-סריג InGaAs (P) /InAlAs ו- In (Al) GaAs/InAlAs. באמצעות מבנה הסופר-סריג, הנדסת הפסים יכולה לשלוט באופן מלאכותי באי-רציפות קצה הפס האסימטרית בין ערכי פס ההולכה לערכי פס הערכיות, ולהבטיח שאי-רציפות פס ההולכה גדולה בהרבה מאי-רציפות פס הערכיות (ΔEc>>ΔEv). בהשוואה לחומרי בתפזורת InGaAs, קצב יינון האלקטרונים (a) בבאר קוונטית InGaAs/InAlAs גדל משמעותית, ואלקטרונים וחורים צוברים אנרגיה נוספת. עקב ΔEc>>ΔEv, ניתן לצפות שהאנרגיה המתקבלת על ידי אלקטרונים תגדיל את קצב יינון האלקטרונים הרבה יותר מתרומת אנרגיית החור לקצב יינון החור (b). היחס (k) בין קצב יינון האלקטרונים לקצב יינון החור עולה. לכן, ניתן להשיג מכפלת רוחב פס-הגבר (GBW) גבוהה וביצועים של רעש נמוך על ידי יישום מבני סופר-סריג. עם זאת, APD של מבנה הבאר הקוונטי InGaAs/InAlAs, שיכול להגדיל את ערך k, קשה ליישם על מקלטים אופטיים. הסיבה לכך היא שגורם המכפיל המשפיע על התגובה המקסימלית מוגבל על ידי הזרם החושך, ולא על ידי רעש המכפיל. במבנה זה, הזרם החושך נגרם בעיקר מאפקט המנהור של שכבת הבאר InGaAs עם פער פס צר, כך שהכנסת סגסוגת רבעונית בעלת פער פס רחב, כגון InGaAsP או InAlGaAs, במקום InGaAs כשכבת הבאר של מבנה הבאר הקוונטי יכולה לדכא את הזרם החושך.