Résumé : La structure de base et le principe de fonctionnement du photodétecteur d'avalanche (Photodétecteur APD) sont présentés, le processus d'évolution de la structure du dispositif est analysé, l'état actuel de la recherche est résumé et le développement futur de l'APD est étudié de manière prospective.
1. Introduction
Un photodétecteur est un appareil qui convertit les signaux lumineux en signaux électriques. Dans unphotodétecteur à semi-conducteur, le porteur photogénéré excité par le photon incident entre dans le circuit externe sous la tension de polarisation appliquée et forme un photocourant mesurable. Même à la réactivité maximale, une photodiode PIN ne peut produire qu'une paire de paires électron-trou au maximum, ce qui est un dispositif sans gain interne. Pour une plus grande réactivité, une photodiode à avalanche (APD) peut être utilisée. L'effet d'amplification de l'APD sur le photocourant est basé sur l'effet de collision d'ionisation. Dans certaines conditions, les électrons et les trous accélérés peuvent obtenir suffisamment d’énergie pour entrer en collision avec le réseau et produire une nouvelle paire de paires électron-trou. Ce processus est une réaction en chaîne, de sorte que la paire de paires électron-trou générée par l'absorption de la lumière peut produire un grand nombre de paires électron-trou et former un grand photocourant secondaire. Par conséquent, l’APD présente une réactivité et un gain interne élevés, ce qui améliore le rapport signal/bruit de l’appareil. L'APD sera principalement utilisé dans les systèmes de communication à fibre optique longue distance ou plus petits avec d'autres limitations sur la puissance optique reçue. À l'heure actuelle, de nombreux experts en dispositifs optiques sont très optimistes quant aux perspectives de l'APD et estiment que la recherche sur l'APD est nécessaire pour améliorer la compétitivité internationale des domaines connexes.
2. Développement technique dephotodétecteur d'avalanche(Photodétecteur APD)
2.1 Matériaux
(1)Photodétecteur Si
La technologie des matériaux Si est une technologie mature largement utilisée dans le domaine de la microélectronique, mais elle ne convient pas à la préparation de dispositifs dans la plage de longueurs d'onde de 1,31 mm et 1,55 mm qui sont généralement acceptées dans le domaine de la communication optique.
(2)Gé
Bien que la réponse spectrale du Ge APD soit adaptée aux exigences de faible perte et de faible dispersion dans la transmission par fibre optique, le processus de préparation présente de grandes difficultés. De plus, le rapport des taux d'ionisation des électrons et des trous de Ge est proche de () 1, il est donc difficile de préparer des dispositifs APD hautes performances.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
C'est une méthode efficace pour sélectionner In0.53Ga0.47As comme couche d'absorption de lumière d'APD et InP comme couche multiplicatrice. Le pic d'absorption du matériau In0.53Ga0.47As est de 1,65 mm, 1,31 mm, la longueur d'onde de 1,55 mm est d'environ 104 cm-1, un coefficient d'absorption élevé, qui est actuellement le matériau préféré pour la couche d'absorption du détecteur de lumière.
(4)Photodétecteur InGaAs/Dansphotodétecteur
En sélectionnant InGaAsP comme couche absorbant la lumière et InP comme couche multiplicatrice, il est possible de préparer un APD avec une longueur d'onde de réponse de 1 à 1,4 mm, une efficacité quantique élevée, un faible courant d'obscurité et un gain d'avalanche élevé. En sélectionnant différents composants d'alliage, les meilleures performances pour des longueurs d'onde spécifiques sont obtenues.
(5)InGaAs/InAlAs
Le matériau In0,52Al0,48As a une bande interdite (1,47eV) et n'absorbe pas dans la plage de longueurs d'onde de 1,55 mm. Il existe des preuves que la fine couche épitaxiale d'In0,52Al0,48As peut obtenir de meilleures caractéristiques de gain que l'InP en tant que couche multiplicatrice dans des conditions d'injection d'électrons purs.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs et InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Le taux d’ionisation par impact des matériaux est un facteur important affectant les performances de l’APD. Les résultats montrent que le taux d'ionisation par collision de la couche multiplicatrice peut être amélioré en introduisant des structures de super-réseau InGaAs (P) /InAlAs et In (Al) GaAs/InAlAs. En utilisant la structure de super-réseau, l'ingénierie de bande peut contrôler artificiellement la discontinuité asymétrique du bord de bande entre la bande de conduction et les valeurs de la bande de valence, et garantir que la discontinuité de la bande de conduction est beaucoup plus grande que la discontinuité de la bande de valence (ΔEc>>ΔEv). Par rapport aux matériaux en vrac InGaAs, le taux d'ionisation électronique du puits quantique InGaAs/InAlAs (a) est considérablement augmenté, et les électrons et les trous gagnent de l'énergie supplémentaire. En raison de ΔEc>>ΔEv, on peut s'attendre à ce que l'énergie gagnée par les électrons augmente le taux d'ionisation des électrons bien plus que la contribution de l'énergie des trous au taux d'ionisation des trous (b). Le rapport (k) du taux d'ionisation des électrons au taux d'ionisation des trous augmente. Par conséquent, un produit gain-bande passante (GBW) élevé et des performances à faible bruit peuvent être obtenus en appliquant des structures de super-réseau. Cependant, cette structure de puits quantique InGaAs/InAlAs APD, qui peut augmenter la valeur k, est difficile à appliquer aux récepteurs optiques. En effet, le facteur multiplicateur qui affecte la réactivité maximale est limité par le courant d'obscurité et non par le bruit multiplicateur. Dans cette structure, le courant d'obscurité est principalement causé par l'effet tunnel de la couche de puits InGaAs avec une bande interdite étroite, donc l'introduction d'un alliage quaternaire à large bande interdite, tel que InGaAsP ou InAlGaAs, au lieu d'InGaAs comme couche de puits de la structure du puits quantique peut supprimer le courant d’obscurité.
Heure de publication : 13 novembre 2023