Résumé : La structure de base et le principe de fonctionnement du photodétecteur à avalanche (Photodétecteur APD) sont introduits, le processus d'évolution de la structure de l'appareil 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-conducteurLe porteur photogénéré et excité par le photon incident pénètre dans le circuit externe sous la tension de polarisation appliquée et forme un photocourant mesurable. Même à sa réactivité maximale, une photodiode PIN ne peut produire qu'une paire de paires électron-trou au maximum, ce qui constitue un dispositif sans gain interne. Pour une réactivité accrue, une photodiode à avalanche (APD) peut être utilisée. L'effet d'amplification de l'APD sur le photocourant repose 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 absorption lumineuse peut produire un grand nombre de paires électron-trou et former un important photocourant secondaire. Par conséquent, l'APD présente une réactivité et un gain interne élevés, ce qui améliore le rapport signal/bruit du dispositif. L'APD sera principalement utilisée dans les systèmes de communication par fibre optique longue distance ou de petite taille, avec d'autres limitations de 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 gamme de longueurs d'onde de 1,31 mm et 1,55 mm qui sont généralement acceptées dans le domaine de la communication optique.
(2)Ge
Bien que la réponse spectrale des APD en Ge soit adaptée aux exigences de faibles pertes et de faible dispersion de 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 du Ge étant proche de () 1, il est difficile de préparer des dispositifs APD hautes performances.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Le choix de l'In0,53Ga0,47As comme couche d'absorption lumineuse de l'APD et de l'InP comme couche multiplicatrice est une méthode efficace. Le pic d'absorption de l'In0,53Ga0,47As est de 1,65 mm, 1,31 mm et 1,55 mm, avec des longueurs d'onde d'environ 104 cm-1 et un coefficient d'absorption élevé. C'est le matériau actuellement privilégié pour la couche d'absorption des détecteurs de lumière.
(4)Photodétecteur InGaAs/Dansphotodétecteur
En choisissant InGaAsP comme couche absorbante 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, un rendement quantique élevé, un faible courant d'obscurité et un gain d'avalanche élevé. La sélection de différents composants d'alliage permet d'obtenir les meilleures performances pour des longueurs d'onde spécifiques.
(5)InGaAs/InAlAs
Le matériau In0,52Al0,48As présente une bande interdite de 1,47 eV et n'absorbe pas à une longueur d'onde de 1,55 mm. Il est prouvé qu'une fine couche épitaxiale d'In0,52Al0,48As peut obtenir de meilleures caractéristiques de gain que l'InP comme couche multiplicatrice, dans des conditions d'injection d'électrons pure.
(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. Grâce à cette structure de super-réseau, l'ingénierie de bande permet de contrôler artificiellement la discontinuité asymétrique du bord de bande entre les valeurs de la bande de conduction et de la bande de valence, et de garantir que la discontinuité de la bande de conduction est bien supérieure à la discontinuité de la bande de valence (ΔEc>>ΔEv). Comparé aux matériaux massifs InGaAs, le taux d'ionisation électronique des puits quantiques InGaAs/InAlAs (a) est significativement accru, et les électrons et les trous gagnent davantage d'énergie. Du fait de ΔEc>>ΔEv, on peut s'attendre à ce que l'énergie gagnée par les électrons augmente le taux d'ionisation électronique bien plus que la contribution de l'énergie des trous à ce taux (b). Le rapport (k) entre le taux d'ionisation des électrons et celui des trous augmente. Par conséquent, l'application de structures à super-réseau permet d'obtenir un produit gain-bande passante (GBW) élevé et un faible bruit. Cependant, cette structure à puits quantiques APD InGaAs/InAlAs, qui permet d'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 dû à l'effet tunnel de la couche de puits en InGaAs à bande interdite étroite. L'introduction d'un alliage quaternaire à large bande interdite, tel que InGaAsP ou InAlGaAs, à la place de l'InGaAs comme couche de puits de la structure à puits quantique, permet de supprimer le courant d'obscurité.
Date de publication : 13 novembre 2023