რეზიუმე: ზვავის ფოტოდეტექტორის ძირითადი სტრუქტურა და მუშაობის პრინციპი (APD ფოტოდეტექტორი) წარმოდგენილია, გაანალიზებულია მოწყობილობის სტრუქტურის ევოლუციის პროცესი, შეჯამებულია მიმდინარე კვლევის სტატუსი და პერსპექტიულად არის შესწავლილი APD-ის მომავალი განვითარება.
1. შესავალი
ფოტოდეტექტორი არის მოწყობილობა, რომელიც გარდაქმნის სინათლის სიგნალებს ელექტრო სიგნალებად. ანახევარგამტარული ფოტოდეტექტორი, ფოტო-გენერირებული გადამზიდავი, რომელიც აღგზნებულია ინციდენტის ფოტონით, შედის გარე წრეში გამოყენებული მიკერძოების ძაბვის ქვეშ და ქმნის გაზომვადი ფოტოდინებას. მაქსიმალური რეაგირების შემთხვევაშიც კი, PIN ფოტოდიოდს შეუძლია წარმოქმნას მხოლოდ ელექტრონულ-ხვრელების წყვილი მაქსიმუმ, რაც არის მოწყობილობა შიდა გაძლიერების გარეშე. უფრო მეტი რეაგირებისთვის, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ზვავის ფოტოდიოდი (APD). APD-ის გამაძლიერებელი ეფექტი ფოტოდინებაზე ეფუძნება იონიზაციის შეჯახების ეფექტს. გარკვეულ პირობებში, აჩქარებულ ელექტრონებსა და ხვრელებს შეუძლიათ მიიღონ საკმარისი ენერგია, რათა შეჯახონ გისოსებს, რათა წარმოქმნან ახალი წყვილი ელექტრონული ხვრელის წყვილი. ეს პროცესი ჯაჭვური რეაქციაა, ასე რომ, სინათლის შთანთქმის შედეგად წარმოქმნილ ელექტრონ-ხვრელების წყვილს შეუძლია წარმოქმნას ელექტრონ-ხვრელების წყვილების დიდი რაოდენობა და შექმნას დიდი მეორადი ფოტოდენი. აქედან გამომდინარე, APD-ს აქვს მაღალი რეაგირება და შიდა მომატება, რაც აუმჯობესებს მოწყობილობის სიგნალისა და ხმაურის თანაფარდობას. APD ძირითადად გამოყენებული იქნება შორ მანძილზე ან უფრო მცირე ოპტიკურ ბოჭკოვან საკომუნიკაციო სისტემებში მიღებული ოპტიკური სიმძლავრის სხვა შეზღუდვებით. ამჟამად, ოპტიკური მოწყობილობების მრავალი ექსპერტი ძალიან ოპტიმისტურად არის განწყობილი APD-ის პერსპექტივების მიმართ და თვლის, რომ APD-ის კვლევა აუცილებელია დაკავშირებული სფეროების საერთაშორისო კონკურენტუნარიანობის გასაძლიერებლად.
2. ტექნიკური განვითარებაზვავის ფოტოდეტექტორი(APD ფოტოდეტექტორი)
2.1 მასალები
(1)Si photodetector
Si მატერიალური ტექნოლოგია არის მომწიფებული ტექნოლოგია, რომელიც ფართოდ გამოიყენება მიკროელექტრონიკის სფეროში, მაგრამ ის არ არის შესაფერისი მოწყობილობების მოსამზადებლად 1.31 მმ და 1.55 მმ ტალღის სიგრძის დიაპაზონში, რომლებიც ზოგადად მიღებულია ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში.
(2) Ge
მიუხედავად იმისა, რომ Ge APD-ის სპექტრული პასუხი შესაფერისია დაბალი დანაკარგისა და დაბალი დისპერსიის მოთხოვნებისთვის ოპტიკურ ბოჭკოვან გადაცემაში, მომზადების პროცესში დიდი სირთულეებია. გარდა ამისა, Ge-ს ელექტრონისა და ხვრელების იონიზაციის სიჩქარის თანაფარდობა () 1-ს უახლოვდება, ამიტომ ძნელია მაღალი ხარისხის APD მოწყობილობების მომზადება.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
ეფექტური მეთოდია In0.53Ga0.47As-ის არჩევა APD-ის სინათლის შთანთქმის ფენად და InP მულტიპლიკატორად. In0.53Ga0.47As მასალის შთანთქმის პიკი არის 1.65მმ, 1.31მმ, 1.55მმ ტალღის სიგრძე დაახლოებით 104სმ-1 მაღალი შთანთქმის კოეფიციენტია, რაც ამჟამად სასურველი მასალაა სინათლის დეტექტორის შთანთქმის ფენისთვის.
(4)InGaAs ფოტოდეტექტორი/შიფოტოდეტექტორი
InGaAsP, როგორც სინათლის შთამნთქმელი ფენის და InP, როგორც მულტიპლიკატორული ფენის არჩევით, შეიძლება მომზადდეს APD საპასუხო ტალღის სიგრძით 1-1,4 მმ, მაღალი კვანტური ეფექტურობით, დაბალი ბნელი დენი და მაღალი ზვავის მომატება. სხვადასხვა შენადნობის კომპონენტების შერჩევით, მიიღწევა საუკეთესო შესრულება კონკრეტული ტალღის სიგრძეებისთვის.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As მასალას აქვს ზოლის უფსკრული (1.47eV) და არ შეიწოვება ტალღის სიგრძის დიაპაზონში 1.55მმ. არსებობს მტკიცებულება, რომ თხელ In0.52Al0.48As ეპიტაქსიალურ ფენას შეუძლია მიიღოს უკეთესი მომატების მახასიათებლები, ვიდრე InP, როგორც მულტიპლიკატორული ფენა სუფთა ელექტრონის ინექციის პირობებში.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs და InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
მასალების ზემოქმედების იონიზაციის სიჩქარე მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს APD-ის მუშაობაზე. შედეგები აჩვენებს, რომ მულტიპლიკატორის ფენის შეჯახების იონიზაციის სიჩქარე შეიძლება გაუმჯობესდეს InGaAs (P) /InAlAs და In (Al) GaAs/InAlAs ზერელეტური სტრუქტურების შემოღებით. სუპერლატის სტრუქტურის გამოყენებით, ზოლის ინჟინერიას შეუძლია ხელოვნურად გააკონტროლოს ასიმეტრიული ზოლის კიდეების შეწყვეტა გამტარობის ზოლსა და ვალენტურობის დიაპაზონის მნიშვნელობებს შორის, და უზრუნველყოს, რომ გამტარობის ზოლის შეწყვეტა გაცილებით დიდია, ვიდრე ვალენტობის ზოლის შეწყვეტა (ΔEc>>ΔEv). InGaAs ნაყარ მასალებთან შედარებით, InGaAs/InAlAs კვანტური ჭაბურღილის ელექტრონების იონიზაციის სიჩქარე (a) მნიშვნელოვნად გაიზარდა და ელექტრონები და ხვრელები იძენენ დამატებით ენერგიას. ΔEc>>ΔEv-ის გამო, შეიძლება მოსალოდნელი იყოს, რომ ელექტრონების მიერ მიღებული ენერგია ზრდის ელექტრონის იონიზაციის სიჩქარეს ბევრად უფრო მეტად, ვიდრე ხვრელის ენერგიის წვლილი ხვრელის იონიზაციის სიჩქარეში (b). ელექტრონის იონიზაციის სიჩქარის თანაფარდობა (k) ხვრელის იონიზაციის სიჩქარესთან იზრდება. აქედან გამომდინარე, მაღალი მოგების გამტარუნარიანობის პროდუქტი (GBW) და დაბალი ხმაურის შესრულება შეიძლება მიღებულ იქნეს ზელატის სტრუქტურების გამოყენებით. თუმცა, ამ InGaAs/InAlAs კვანტური ჭაბურღილის APD სტრუქტურა, რომელსაც შეუძლია გაზარდოს k მნიშვნელობა, ძნელი გამოსაყენებელია ოპტიკურ მიმღებებზე. ეს იმიტომ ხდება, რომ გამრავლების ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს მაქსიმალურ რეაგირებაზე, შემოიფარგლება ბნელი დენით და არა მულტიპლიკატორის ხმაურით. ამ სტრუქტურაში, ბნელი დენი ძირითადად გამოწვეულია InGaAs ჭაბურღილის გვირაბის ეფექტით ვიწრო ზოლიანი უფსკრულით, ამიტომ ფართოზოლოვანი უფსკრული მეოთხეული შენადნობის დანერგვა, როგორიცაა InGaAsP ან InAlGaAs, ნაცვლად InGaAs, როგორც ჭაბურღილის ფენა. კვანტური ჭაბურღილის სტრუქტურას შეუძლია ჩაახშო ბნელი დენი.
გამოქვეყნების დრო: ნოე-13-2023