چکیده: ساختار اساسی و اصل کار آشکارساز نوری بهمنی (آشکارساز نوری APD) معرفی می‌شوند، روند تکامل ساختار دستگاه مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرد، وضعیت تحقیقات فعلی خلاصه می‌شود و توسعه آینده APD به صورت آینده‌نگر مورد مطالعه قرار می‌گیرد.
۱. مقدمه
آشکارساز نوری دستگاهی است که سیگنال‌های نوری را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. در ...آشکارساز نوری نیمه‌هادی، حامل تولید شده توسط فوتون فرودی که توسط ولتاژ بایاس اعمال شده تحریک شده است، تحت ولتاژ بایاس اعمال شده وارد مدار خارجی می‌شود و یک جریان نوری قابل اندازه‌گیری تشکیل می‌دهد. حتی در حداکثر پاسخگویی، یک فوتودیود PIN حداکثر می‌تواند یک جفت جفت الکترون-حفره تولید کند که دستگاهی بدون بهره داخلی است. برای پاسخگویی بیشتر، می‌توان از یک فوتودیود بهمنی (APD) استفاده کرد. اثر تقویت APD بر روی جریان نوری بر اساس اثر برخورد یونیزاسیون است. تحت شرایط خاص، الکترون‌ها و حفره‌های شتاب‌دار می‌توانند انرژی کافی برای برخورد با شبکه و تولید یک جفت جفت الکترون-حفره جدید را به دست آورند. این فرآیند یک واکنش زنجیره‌ای است، به طوری که جفت جفت الکترون-حفره تولید شده توسط جذب نور می‌تواند تعداد زیادی جفت الکترون-حفره تولید کند و یک جریان نوری ثانویه بزرگ تشکیل دهد. بنابراین، APD دارای پاسخگویی و بهره داخلی بالایی است که نسبت سیگنال به نویز دستگاه را بهبود می‌بخشد. APD عمدتاً در سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری از راه دور یا کوچکتر با محدودیت‌های دیگر در توان نوری دریافتی استفاده خواهد شد. در حال حاضر، بسیاری از متخصصان دستگاه‌های نوری در مورد چشم‌انداز APD بسیار خوش‌بین هستند و معتقدند که تحقیقات APD برای افزایش رقابت‌پذیری بین‌المللی در زمینه‌های مرتبط ضروری است.
۲. توسعه فنیآشکارساز نوری بهمن(آشکارساز نوری APD)
۲.۱ مواد
(1)آشکارساز نوری Si
فناوری مواد سیلیکونی یک فناوری بالغ است که به طور گسترده در زمینه میکروالکترونیک مورد استفاده قرار می‌گیرد، اما برای تهیه دستگاه‌هایی در محدوده طول موج 1.31 میلی‌متر و 1.55 میلی‌متر که به طور کلی در زمینه ارتباطات نوری پذیرفته شده‌اند، مناسب نیست.
(2) جنرال الکتریک
اگرچه پاسخ طیفی فوتودیود اتمی ژرمانیوم برای الزامات اتلاف کم و پراکندگی کم در انتقال فیبر نوری مناسب است، اما مشکلات بزرگی در فرآیند آماده‌سازی وجود دارد. علاوه بر این، نسبت سرعت یونیزاسیون الکترون و حفره ژرمانیوم نزدیک به () 1 است، بنابراین تهیه دستگاه‌های فوتودیود اتمی با کارایی بالا دشوار است.
(3) In0.53Ga0.47As/InP
این یک روش مؤثر برای انتخاب In0.53Ga0.47As به عنوان لایه جذب نور APD و InP به عنوان لایه ضرب کننده است. پیک جذب ماده In0.53Ga0.47As 1.65 میلی‌متر، طول موج 1.31 میلی‌متر و طول موج 1.55 میلی‌متر با ضریب جذب بالا در حدود 104cm-1 است که در حال حاضر ماده ترجیحی برای لایه جذب آشکارساز نور است.
(4)آشکارساز نوری InGaAs/درآشکارساز نوری
با انتخاب InGaAsP به عنوان لایه جاذب نور و InP به عنوان لایه ضرب‌کننده، می‌توان APD با طول موج پاسخ ۱-۱.۴ میلی‌متر، بازده کوانتومی بالا، جریان تاریک کم و بهره بهمنی بالا تهیه کرد. با انتخاب اجزای آلیاژی مختلف، بهترین عملکرد برای طول موج‌های خاص حاصل می‌شود.
(5) ایندیوم گالیوم آرسنیک/ایندیوم آلسنیک
ماده In0.52Al0.48As دارای شکاف نواری (1.47eV) است و در محدوده طول موج 1.55mm جذب نمی‌کند. شواهدی وجود دارد که نشان می‌دهد لایه اپیتاکسیال نازک In0.52Al0.48As می‌تواند تحت شرایط تزریق الکترون خالص، ویژگی‌های بهره بهتری نسبت به InP به عنوان یک لایه ضرب‌کننده داشته باشد.
(6) InGaAs/InGaAs (P)/InAlAs و InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
نرخ یونیزاسیون ضربه‌ای مواد، عامل مهمی است که بر عملکرد APD تأثیر می‌گذارد. نتایج نشان می‌دهد که نرخ یونیزاسیون برخوردی لایه ضرب‌کننده را می‌توان با معرفی ساختارهای ابرشبکه InGaAs(P)/InAlAs و In(Al)GaAs/InAlAs بهبود بخشید. با استفاده از ساختار ابرشبکه، مهندسی نوار می‌تواند به صورت مصنوعی ناپیوستگی لبه نوار نامتقارن بین مقادیر نوار رسانش و نوار ظرفیت را کنترل کند و اطمینان حاصل کند که ناپیوستگی نوار رسانش بسیار بزرگتر از ناپیوستگی نوار ظرفیت (ΔEc>>ΔEv) است. در مقایسه با مواد توده‌ای InGaAs، نرخ یونیزاسیون الکترون چاه کوانتومی InGaAs/InAlAs (a) به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد و الکترون‌ها و حفره‌ها انرژی اضافی به دست می‌آورند. با توجه به ΔEc>>ΔEv، می‌توان انتظار داشت که انرژی کسب شده توسط الکترون‌ها، نرخ یونیزاسیون الکترون را بسیار بیشتر از سهم انرژی حفره به نرخ یونیزاسیون حفره (b) افزایش دهد. نسبت (k) نرخ یونیزاسیون الکترون به نرخ یونیزاسیون حفره افزایش می‌یابد. بنابراین، با اعمال ساختارهای ابرشبکه‌ای، می‌توان به حاصلضرب بهره-پهنای باند بالا (GBW) و عملکرد کم نویز دست یافت. با این حال، این ساختار چاه کوانتومی InGaAs/InAlAs به عنوان APD، که می‌تواند مقدار k را افزایش دهد، به سختی در گیرنده‌های نوری قابل استفاده است. دلیل این امر آن است که عامل ضرب‌کننده که بر حداکثر پاسخگویی تأثیر می‌گذارد، توسط جریان تاریک محدود می‌شود، نه نویز ضرب‌کننده. در این ساختار، جریان تاریک عمدتاً توسط اثر تونل‌زنی لایه چاه InGaAs با شکاف نواری باریک ایجاد می‌شود، بنابراین معرفی یک آلیاژ چهارتایی با شکاف نواری پهن، مانند InGaAsP یا InAlGaAs، به جای InGaAs به عنوان لایه چاه ساختار چاه کوانتومی، می‌تواند جریان تاریک را سرکوب کند.
زمان ارسال: ۱۳ نوامبر ۲۰۲۳