บทคัดย่อ: โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทำงานของโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ (โฟโตดีเทคเตอร์ APDมีการแนะนำ (อุปกรณ์ APD) วิเคราะห์กระบวนการวิวัฒนาการของโครงสร้างอุปกรณ์ สรุปสถานะการวิจัยในปัจจุบัน และศึกษาแนวโน้มการพัฒนาในอนาคตของ APD
1. บทนำ
โฟโตดีเทคเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ใน...โฟโตดีเทคเตอร์เซมิคอนดักเตอร์ตัวนำที่เกิดจากแสงซึ่งถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่ตกกระทบจะเข้าสู่วงจรภายนอกภายใต้แรงดันไบแอสที่ใช้ และสร้างกระแสไฟฟ้าที่วัดได้ แม้จะตอบสนองได้สูงสุด โฟโตไดโอด PIN ก็สามารถสร้างคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลได้มากที่สุดเพียงคู่เดียว ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีการขยายสัญญาณภายใน เพื่อให้ได้การตอบสนองที่มากขึ้น สามารถใช้โฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์ (APD) ได้ ผลการขยายสัญญาณของ APD ต่อกระแสไฟฟ้าเกิดจากผลของการชนกันแบบไอออนไนซ์ ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง อิเล็กตรอนและโฮลที่เร่งความเร็วสามารถได้รับพลังงานเพียงพอที่จะชนกับโครงสร้างผลึกเพื่อสร้างคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลใหม่ กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ดังนั้นคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลที่เกิดจากการดูดซับแสงสามารถสร้างคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลจำนวนมากและสร้างกระแสไฟฟ้าทุติยภูมิขนาดใหญ่ได้ ดังนั้น APD จึงมีการตอบสนองสูงและการขยายสัญญาณภายใน ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์ APD จะถูกนำไปใช้เป็นหลักในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงระยะไกลหรือขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดอื่นๆ เกี่ยวกับกำลังแสงที่ได้รับ ในปัจจุบัน ผู้เชี่ยวชาญด้านอุปกรณ์ทางแสงหลายคนมองอนาคตของ APD ในแง่ดีมาก และเชื่อว่าการวิจัย APD เป็นสิ่งจำเป็นเพื่อเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันระดับนานาชาติของสาขาที่เกี่ยวข้อง
2. การพัฒนาทางเทคนิคของเครื่องตรวจจับแสงถล่ม(ตัวตรวจจับแสง APD)
2.1 วัสดุ
(1)โฟโตดีเทคเตอร์ Si
เทคโนโลยีวัสดุซิลิคอนเป็นเทคโนโลยีที่พัฒนาแล้วและมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ แต่ไม่เหมาะสมสำหรับการเตรียมอุปกรณ์ในช่วงความยาวคลื่น 1.31 มม. และ 1.55 มม. ซึ่งเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในด้านการสื่อสารด้วยแสง
(2)Ge
แม้ว่าการตอบสนองเชิงสเปกตรัมของ Ge APD จะเหมาะสมกับข้อกำหนดของการสูญเสียต่ำและการกระจายตัวต่ำในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง แต่กระบวนการเตรียมนั้นมีความยากลำบากมาก นอกจากนี้ อัตราส่วนของอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนและโฮลของ Ge ยังใกล้เคียงกับ 1 ดังนั้นจึงยากที่จะเตรียมอุปกรณ์ APD ที่มีประสิทธิภาพสูง
(3)In0.53Ga0.47As/InP
การเลือกใช้ In0.53Ga0.47As เป็นชั้นดูดซับแสงของ APD และ InP เป็นชั้นตัวคูณ เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพ เนื่องจากวัสดุ In0.53Ga0.47As มีจุดสูงสุดของการดูดซับที่ความยาวคลื่น 1.65 มม., 1.31 มม. และ 1.55 มม. ซึ่งมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับสูงถึงประมาณ 104 cm-1 จึงเป็นวัสดุที่นิยมใช้เป็นชั้นดูดซับแสงของอุปกรณ์ตรวจจับแสงในปัจจุบัน
(4)โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs/ในโฟโตดีเทคเตอร์
โดยการเลือกใช้ InGaAsP เป็นชั้นดูดซับแสงและ InP เป็นชั้นตัวคูณ สามารถเตรียม APD ที่มีช่วงความยาวคลื่นตอบสนอง 1-1.4 มม. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระแสไฟฟ้ามืดต่ำ และอัตราการขยายแบบอะวาแลนซ์สูงได้ นอกจากนี้ การเลือกใช้ส่วนประกอบโลหะผสมที่แตกต่างกันยังช่วยให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสำหรับความยาวคลื่นเฉพาะเจาะจงอีกด้วย
(5)InGaAs/InAlAs
วัสดุ In0.52Al0.48As มีช่องว่างพลังงาน (1.47 eV) และไม่ดูดกลืนแสงในช่วงความยาวคลื่น 1.55 มม. มีหลักฐานว่าชั้นฟิล์มบาง In0.52Al0.48As แบบเอพิแท็กเซียลสามารถให้คุณสมบัติการขยายสัญญาณที่ดีกว่า InP ในฐานะชั้นตัวคูณภายใต้เงื่อนไขการฉีดอิเล็กตรอนบริสุทธิ์
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs และ InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
อัตราการแตกตัวเป็นไอออนจากการชนของวัสดุเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ APD ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าอัตราการแตกตัวเป็นไอออนจากการชนของชั้นตัวคูณสามารถปรับปรุงได้โดยการนำโครงสร้างซูเปอร์แลตติส InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs มาใช้ การใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตติสนี้ช่วยให้การควบคุมแถบพลังงานสามารถควบคุมความไม่ต่อเนื่องของขอบแถบพลังงานที่ไม่สมมาตรระหว่างแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์ได้ และทำให้มั่นใจได้ว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่กว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบวาเลนซ์มาก (ΔEc>>ΔEv) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ InGaAs แบบดั้งเดิม อัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนในบ่อควอนตัม InGaAs/InAlAs (a) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และอิเล็กตรอนและโฮลได้รับพลังงานเพิ่มเติม เนื่องจาก ΔEc>>ΔEv จึงคาดได้ว่าพลังงานที่อิเล็กตรอนได้รับจะเพิ่มอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนมากกว่าการมีส่วนร่วมของพลังงานโฮลต่ออัตราการแตกตัวเป็นไอออนของโฮล (b) อัตราส่วน (k) ของอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนต่ออัตราการแตกตัวเป็นไอออนของโฮลเพิ่มขึ้น ดังนั้น การใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตติสจึงสามารถให้ค่าผลคูณของอัตราขยายและแบนด์วิดท์ (GBW) สูงและประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนต่ำได้ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างควอนตัมเวลล์ InGaAs/InAlAs APD นี้ ซึ่งสามารถเพิ่มค่า k ได้นั้น ยากที่จะนำไปใช้กับตัวรับสัญญาณแสง เนื่องจากปัจจัยตัวคูณที่ส่งผลต่อการตอบสนองสูงสุดนั้นถูกจำกัดโดยกระแสไฟฟ้ามืด ไม่ใช่สัญญาณรบกวนตัวคูณ ในโครงสร้างนี้ กระแสไฟฟ้ามืดส่วนใหญ่เกิดจากผลของการทะลุผ่านของชั้นเวลล์ InGaAs ที่มีช่องว่างแถบพลังงานแคบ ดังนั้น การนำโลหะผสมควอเทอร์นารีที่มีช่องว่างแถบพลังงานกว้าง เช่น InGaAsP หรือ InAlGaAs มาใช้แทน InGaAs เป็นชั้นเวลล์ของโครงสร้างควอนตัมเวลล์สามารถลดกระแสไฟฟ้ามืดได้
วันที่โพสต์: 13 พฤศจิกายน 2023