Tóm tắt: Cấu trúc cơ bản và nguyên lý hoạt động của máy dò quang tuyết lở (Máy dò quang APD) được giới thiệu, quá trình phát triển của cấu trúc thiết bị được phân tích, tình trạng nghiên cứu hiện tại được tóm tắt và sự phát triển trong tương lai của APD được nghiên cứu theo hướng triển vọng.
1. Giới thiệu
Một máy dò quang là một thiết bị chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Trong mộtmáy dò quang bán dẫn, hạt mang quang sinh ra do photon tới kích thích đi vào mạch ngoài dưới điện áp phân cực được áp dụng và tạo thành dòng quang có thể đo được. Ngay cả ở độ nhạy tối đa, một điốt quang PIN chỉ có thể tạo ra một cặp cặp electron-lỗ trống nhiều nhất, đây là một thiết bị không có độ lợi bên trong. Để có độ nhạy cao hơn, có thể sử dụng điốt quang tuyết lở (APD). Hiệu ứng khuếch đại của APD đối với dòng quang dựa trên hiệu ứng va chạm ion hóa. Trong một số điều kiện nhất định, các electron và lỗ trống được tăng tốc có thể thu được đủ năng lượng để va chạm với mạng để tạo ra một cặp cặp electron-lỗ trống mới. Quá trình này là một phản ứng dây chuyền, do đó cặp cặp electron-lỗ trống được tạo ra bởi sự hấp thụ ánh sáng có thể tạo ra một số lượng lớn các cặp electron-lỗ trống và tạo thành một dòng quang thứ cấp lớn. Do đó, APD có độ nhạy cao và độ lợi bên trong, giúp cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của thiết bị. APD chủ yếu sẽ được sử dụng trong các hệ thống truyền thông cáp quang đường dài hoặc nhỏ hơn với những hạn chế khác về công suất quang thu được. Hiện nay, nhiều chuyên gia về thiết bị quang học rất lạc quan về triển vọng của APD và tin rằng việc nghiên cứu APD là cần thiết để nâng cao khả năng cạnh tranh quốc tế của các lĩnh vực liên quan.
2. Phát triển kỹ thuật củamáy dò ảnh tuyết lở(Máy dò quang APD)
2.1 Vật liệu
(1)Bộ dò quang Si
Công nghệ vật liệu Si là một công nghệ tiên tiến được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực vi điện tử, nhưng không phù hợp để chế tạo các thiết bị có bước sóng từ 1,31mm đến 1,55mm thường được chấp nhận trong lĩnh vực truyền thông quang học.
(2)Ge
Mặc dù đáp ứng phổ của Ge APD phù hợp với yêu cầu về tổn thất thấp và độ phân tán thấp trong truyền dẫn sợi quang, nhưng quá trình chế tạo có nhiều khó khăn. Ngoài ra, tỷ lệ tốc độ ion hóa electron và lỗ trống của Ge gần bằng () 1, do đó khó chế tạo được thiết bị APD hiệu suất cao.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Đây là phương pháp hiệu quả để chọn In0.53Ga0.47As làm lớp hấp thụ ánh sáng của APD và InP làm lớp nhân. Đỉnh hấp thụ của vật liệu In0.53Ga0.47As là 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm bước sóng là khoảng 104cm-1 hệ số hấp thụ cao, là vật liệu được ưa chuộng cho lớp hấp thụ của máy dò ánh sáng hiện nay.
(4)Bộ dò quang InGaAs/TRONGmáy dò ảnh
Bằng cách chọn InGaAsP làm lớp hấp thụ ánh sáng và InP làm lớp nhân, có thể chuẩn bị APD với bước sóng phản hồi 1-1,4mm, hiệu suất lượng tử cao, dòng tối thấp và độ khuếch đại tuyết lở cao. Bằng cách chọn các thành phần hợp kim khác nhau, có thể đạt được hiệu suất tốt nhất cho các bước sóng cụ thể.
(5)InGaAs/InAlAs
Vật liệu In0,52Al0,48As có khoảng cách dải (1,47eV) và không hấp thụ ở dải bước sóng 1,55mm. Có bằng chứng cho thấy lớp epitaxial In0,52Al0,48As mỏng có thể đạt được đặc tính khuếch đại tốt hơn InP dưới dạng lớp nhân trong điều kiện tiêm electron thuần túy.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs và InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Tốc độ ion hóa va chạm của vật liệu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của APD. Kết quả cho thấy tốc độ ion hóa va chạm của lớp nhân có thể được cải thiện bằng cách đưa vào các cấu trúc siêu mạng InGaAs (P) /InAlAs và In (Al) GaAs/InAlAs. Bằng cách sử dụng cấu trúc siêu mạng, kỹ thuật dải có thể kiểm soát nhân tạo sự gián đoạn cạnh dải không đối xứng giữa các giá trị dải dẫn và dải hóa trị và đảm bảo rằng sự gián đoạn dải dẫn lớn hơn nhiều so với sự gián đoạn dải hóa trị (ΔEc>>ΔEv). So với vật liệu khối InGaAs, tốc độ ion hóa electron giếng lượng tử InGaAs/InAlAs (a) tăng lên đáng kể và các electron và lỗ trống thu được thêm năng lượng. Do ΔEc>>ΔEv, có thể mong đợi rằng năng lượng mà các electron thu được làm tăng tốc độ ion hóa electron nhiều hơn nhiều so với sự đóng góp của năng lượng lỗ trống vào tốc độ ion hóa lỗ trống (b). Tỷ lệ (k) của tốc độ ion hóa electron trên tốc độ ion hóa lỗ trống tăng lên. Do đó, có thể thu được hiệu suất tích băng thông khuếch đại cao (GBW) và nhiễu thấp bằng cách áp dụng các cấu trúc siêu mạng. Tuy nhiên, APD cấu trúc giếng lượng tử InGaAs/InAlAs này, có thể làm tăng giá trị k, lại khó áp dụng cho các bộ thu quang. Điều này là do hệ số nhân ảnh hưởng đến khả năng phản hồi tối đa bị giới hạn bởi dòng điện tối, không phải nhiễu nhân. Trong cấu trúc này, dòng điện tối chủ yếu do hiệu ứng đường hầm của lớp giếng InGaAs có khoảng cách băng hẹp, do đó, việc đưa hợp kim bậc bốn có khoảng cách băng rộng, chẳng hạn như InGaAsP hoặc InAlGaAs, thay vì InGaAs làm lớp giếng của cấu trúc giếng lượng tử có thể ngăn chặn dòng điện tối.
Thời gian đăng: 13-11-2023