ზვავის ფოტოდეტექტორის (APD ფოტოდეტექტორი) პრინციპი და ამჟამინდელი მდგომარეობა, ნაწილი პირველი

რეზიუმე: ზვავის ფოტოდეტექტორის ძირითადი სტრუქტურა და მუშაობის პრინციპი (APD ფოტოდეტექტორი) წარმოდგენილია, გაანალიზებულია მოწყობილობის სტრუქტურის ევოლუციის პროცესი, შეჯამებულია კვლევის მიმდინარე სტატუსი და პერსპექტიულად შესწავლილია APD-ის მომავალი განვითარება.

1. შესავალი
ფოტოდეტექტორი არის მოწყობილობა, რომელიც სინათლის სიგნალებს ელექტრულ სიგნალებად გარდაქმნის.ნახევარგამტარული ფოტოდეტექტორი, ფოტონის მიერ აღგზნებული ფოტონით ფოტოგენერირებული გადამტანი შემოდის გარე წრედში გამოყენებული გადახრის ძაბვის ქვეშ და წარმოქმნის გაზომვად ფოტოდენს. მაქსიმალური რეაგირების დროსაც კი, PIN ფოტოდიოდს შეუძლია წარმოქმნას მაქსიმუმ ელექტრონ-ხვრელის წყვილის წყვილი, რაც წარმოადგენს მოწყობილობას შიდა გაძლიერების გარეშე. უფრო მაღალი რეაგირებისთვის, შეიძლება გამოყენებულ იქნას ზვავის ფოტოდიოდი (APD). APD-ის გაძლიერების ეფექტი ფოტოდენზე დაფუძნებულია იონიზაციის შეჯახების ეფექტზე. გარკვეულ პირობებში, აჩქარებულ ელექტრონებსა და ხვრელებს შეუძლიათ მიიღონ საკმარისი ენერგია, რათა შეეჯახონ ბადეს და წარმოქმნან ელექტრონ-ხვრელის წყვილების ახალი წყვილი. ეს პროცესი ჯაჭვური რეაქციაა, ისე, რომ სინათლის შთანთქმით წარმოქმნილ ელექტრონ-ხვრელის წყვილს შეუძლია წარმოქმნას ელექტრონ-ხვრელის წყვილების დიდი რაოდენობა და წარმოქმნას დიდი მეორადი ფოტოდენი. ამიტომ, APD-ს აქვს მაღალი რეაგირების სიჩქარე და შიდა გაძლიერების უნარი, რაც აუმჯობესებს მოწყობილობის სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობას. APD ძირითადად გამოყენებული იქნება დიდ მანძილზე ან მცირე ოპტიკურ-ბოჭკოვანი საკომუნიკაციო სისტემებში, რომლებსაც აქვთ სხვა შეზღუდვები მიღებულ ოპტიკურ სიმძლავრეზე. ამჟამად, ოპტიკური მოწყობილობების მრავალი ექსპერტი ძალიან ოპტიმისტურად არის განწყობილი APD-ის პერსპექტივებთან დაკავშირებით და მიაჩნია, რომ APD-ის კვლევა აუცილებელია მონათესავე სფეროების საერთაშორისო კონკურენტუნარიანობის გასაძლიერებლად.

2. ტექნიკური განვითარებაზვავის ფოტოდეტექტორი(APD ფოტოდეტექტორი)

2.1 მასალები
(1)Si ფოტოდეტექტორი
Si მასალის ტექნოლოგია არის განვითარებული ტექნოლოგია, რომელიც ფართოდ გამოიყენება მიკროელექტრონიკის სფეროში, თუმცა ის არ არის შესაფერისი 1.31 მმ და 1.55 მმ ტალღის სიგრძის დიაპაზონში მოწყობილობების დასამზადებლად, რომლებიც ზოგადად მიღებულია ოპტიკური კომუნიკაციის სფეროში.

(2)Ge
მიუხედავად იმისა, რომ Ge APD-ის სპექტრული რეაქცია ოპტიკურ-ბოჭკოვანი გადაცემის დაბალი დანაკარგებისა და დაბალი დისპერსიის მოთხოვნებს აკმაყოფილებს, მომზადების პროცესში დიდი სირთულეებია. გარდა ამისა, Ge-ის ელექტრონებისა და ხვრელების იონიზაციის სიჩქარის თანაფარდობა ახლოსაა ()1-თან, ამიტომ მაღალი ხარისხის APD მოწყობილობების მომზადება რთულია.

(3) ინ0.53Ga0.47As/ინპ
APD-ის სინათლის შთანთქმის ფენად In0.53Ga0.47As-ის და გამრავლების ფენად InP-ის შერჩევა ეფექტური მეთოდია. In0.53Ga0.47As მასალის შთანთქმის პიკია 1.65 მმ, 1.31 მმ, 1.55 მმ ტალღის სიგრძე დაახლოებით 104 სმ-1 მაღალი შთანთქმის კოეფიციენტია, რაც ამჟამად სინათლის დეტექტორის შთანთქმის ფენისთვის სასურველი მასალაა.

(4)InGaAs ფოტოდეტექტორი/შიფოტოდეტექტორი
სინათლის შთამნთქმელ ფენად InGaAsP-ის და გამრავლების ფენად InP-ის არჩევით, შესაძლებელია 1-1.4 მმ საპასუხო ტალღის სიგრძით, მაღალი კვანტური ეფექტურობით, დაბალი ბნელი დენით და მაღალი ზვავისებრი გაძლიერებით APD-ის მიღება. სხვადასხვა შენადნობის კომპონენტის არჩევით, მიიღწევა საუკეთესო მუშაობა კონკრეტული ტალღის სიგრძეებისთვის.

(5) InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As მასალას აქვს ზოლური უფსკრული (1.47 eV) და არ შთანთქავს 1.55 მმ ტალღის სიგრძის დიაპაზონში. არსებობს მტკიცებულება, რომ თხელი In0.52Al0.48As ეპიტაქსიური ფენა შეიძლება მიაღწიოს უკეთეს გაძლიერების მახასიათებლებს, ვიდრე InP, როგორც მულტიპლიკატორის ფენა სუფთა ელექტრონის ინექციის პირობებში.

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs და InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
მასალების დარტყმითი იონიზაციის სიჩქარე მნიშვნელოვანი ფაქტორია, რომელიც გავლენას ახდენს APD-ის მუშაობაზე. შედეგები აჩვენებს, რომ მულტიპლიკატორის ფენის შეჯახებითი იონიზაციის სიჩქარის გაუმჯობესება შესაძლებელია InGaAs (P) /InAlAs და In (Al) GaAs/InAlAs სუპერბადის სტრუქტურების დანერგვით. სუპერბადის სტრუქტურის გამოყენებით, ზოლების ინჟინერიას შეუძლია ხელოვნურად გააკონტროლოს ასიმეტრიული ზოლის კიდის წყვეტა გამტარობის ზოლსა და ვალენტურ ზოლებს შორის და უზრუნველყოს, რომ გამტარობის ზოლის წყვეტა გაცილებით დიდი იყოს ვალენტურ ზოლის წყვეტაზე (ΔEc>>ΔEv). InGaAs მასალებთან შედარებით, InGaAs/InAlAs კვანტური ჭაბურღილის ელექტრონების იონიზაციის სიჩქარე (a) მნიშვნელოვნად იზრდება და ელექტრონები და ხვრელები დამატებით ენერგიას იძენენ. ΔEc>>ΔEv-ის გამო, შეიძლება ველოდოთ, რომ ელექტრონების მიერ მიღებული ენერგია ელექტრონების იონიზაციის სიჩქარეს გაცილებით მეტად ზრდის, ვიდრე ხვრელის ენერგიის წვლილი ხვრელის იონიზაციის სიჩქარეში (b). ელექტრონების იონიზაციის სიჩქარისა და ხვრელის იონიზაციის სიჩქარის თანაფარდობა (k) იზრდება. ამგვარად, მაღალი გამაძლიერებელი-გამტარუნარიანობის ნამრავლის (GBW) და დაბალი ხმაურის მაჩვენებლების მიღება შესაძლებელია სუპერბადის სტრუქტურების გამოყენებით. თუმცა, InGaAs/InAlAs კვანტური ჭის სტრუქტურის APD-ის გამოყენება, რომელსაც შეუძლია k მნიშვნელობის გაზრდა, რთულია ოპტიკურ მიმღებებზე. ეს იმიტომ ხდება, რომ მაქსიმალურ რეაგირებაზე მოქმედი გამრავლების კოეფიციენტი შეზღუდულია ბნელი დენით და არა გამრავლების ხმაურით. ამ სტრუქტურაში ბნელი დენი ძირითადად გამოწვეულია InGaAs ჭის ფენის გვირაბის ეფექტით ვიწრო ზოლური უფსკრულით, ამიტომ ფართოზოლოვანი უფსკრულის მქონე მეოთხეული შენადნობის, როგორიცაა InGaAsP ან InAlGaAs, შემოღებამ, InGaAs-ის ნაცვლად, როგორც კვანტური ჭის სტრუქტურის ჭაბურღილის ფენა, შეიძლება დათრგუნოს ბნელი დენი.