Хураангуй: Цасан нурангийн фотодетекторын үндсэн бүтэц ба ажиллах зарчим (APD фотодетектор)-г танилцуулж, төхөөрөмжийн бүтцийн хувьслын үйл явцыг шинжилж, судалгааны одоогийн байдлыг нэгтгэн дүгнэж, APD-ийн ирээдүйн хөгжлийг хэтийн төлөвтэй судалж байна.
1. Оршил
Фотодетектор гэдэг нь гэрлийн дохиог цахилгаан дохио болгон хувиргадаг төхөөрөмж юм.хагас дамжуулагч фотодетектор, туссан фотоноос өдөөгдсөн фото үүсгэсэн тээвэрлэгч нь хэрэглэсэн хэвийсэн хүчдэлийн дор гадаад хэлхээнд орж, хэмжигдэхүйц фото гүйдэл үүсгэдэг. Хамгийн их хариу үйлдэл үзүүлэх чадвартай байсан ч PIN фотодиод нь хамгийн ихдээ зөвхөн хос электрон нүхний хосыг үүсгэж чаддаг бөгөөд энэ нь дотоод олшруулалтгүй төхөөрөмж юм. Илүү их хариу үйлдэл үзүүлэхийн тулд нуранги фотодиод (APD) ашиглаж болно. APD-ийн фото гүйдэлд үзүүлэх олшруулах нөлөө нь ионжуулалтын мөргөлдөөний нөлөөнд суурилдаг. Тодорхой нөхцөлд хурдасгасан электрон ба нүхнүүд нь тортой мөргөлдөхөд хангалттай энерги авч, шинэ хос электрон нүхний хосыг үүсгэдэг. Энэ процесс нь гинжин урвал бөгөөд ингэснээр гэрлийн шингээлтээр үүссэн электрон нүхний хос нь олон тооны электрон нүхний хосыг үүсгэж, том хоёрдогч фото гүйдэл үүсгэж чаддаг. Тиймээс APD нь өндөр хариу үйлдэл үзүүлэх чадвартай бөгөөд дотоод олшруулалттай байдаг бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн дохио-шуугианы харьцааг сайжруулдаг. APD-ийг голчлон хүлээн авсан оптик хүчинд бусад хязгаарлалттай хол зайн эсвэл жижиг шилэн кабелийн холбооны системд ашиглах болно. Одоогийн байдлаар олон оптик төхөөрөмжийн мэргэжилтнүүд APD-ийн хэтийн төлөвийн талаар маш өөдрөг үзэлтэй байгаа бөгөөд холбогдох салбаруудын олон улсын өрсөлдөх чадварыг нэмэгдүүлэхийн тулд APD-ийн судалгаа зайлшгүй шаардлагатай гэж үзэж байна.
2. Техникийн хөгжилцасан нурангийн фотодетектор(APD фотодетектор)
2.1 Материалууд
(1)Si фотодетектор
Si материалын технологи нь микроэлектроникийн салбарт өргөн хэрэглэгддэг боловсорсон технологи боловч оптик холбооны салбарт ерөнхийдөө хүлээн зөвшөөрөгдсөн 1.31мм ба 1.55мм долгионы урттай төхөөрөмжүүдийг бэлтгэхэд тохиромжгүй юм.
(2)Ге
Ge APD-ийн спектрийн хариу урвал нь оптик шилэн дамжуулалтын бага алдагдал, бага тархалтын шаардлагад тохирсон боловч бэлтгэлийн процесст ихээхэн бэрхшээл тулгардаг. Үүнээс гадна Ge-ийн электрон ба нүхний ионжуулалтын хурдны харьцаа () 1-тэй ойролцоо тул өндөр хүчин чадалтай APD төхөөрөмжийг бэлтгэхэд хэцүү байдаг.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
Энэ нь APD-ийн гэрлийн шингээлтийн давхарга болгон In0.53Ga0.47As болон үржүүлэгч давхарга болгон InP-г сонгох үр дүнтэй арга юм. In0.53Ga0.47As материалын шингээлтийн оргил нь 1.65мм, 1.31мм, 1.55мм долгионы урт нь ойролцоогоор 104см-1 өндөр шингээлтийн коэффициент бөгөөд энэ нь одоогоор гэрэл илрүүлэгчийн шингээлтийн давхаргын хувьд илүүд үздэг материал юм.
(4)InGaAs фотодетектор/Доторфотодетектор
Гэрэл шингээгч давхарга болгон InGaAsP, үржүүлэгч давхарга болгон InP-г сонгосноор 1-1.4 мм-ийн хариу урвалын долгионы урттай, өндөр квант үр ашигтай, бага харанхуй гүйдэлтэй, өндөр нуранги олшруулагчтай APD бэлтгэж болно. Өөр өөр хайлшийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг сонгосноор тодорхой долгионы уртад хамгийн сайн гүйцэтгэлийг бий болгоно.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As материал нь зурвасын зайтай (1.47eV) бөгөөд 1.55 мм долгионы уртад шингэдэггүй. Цэвэр электрон тарилгын нөхцөлд нимгэн In0.52Al0.48As эпитаксиал давхарга нь үржүүлэгч давхарга болох InP-ээс илүү сайн олшруулах шинж чанарыг олж авч чаддаг гэсэн нотолгоо байдаг.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs болон InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Материалын цохилтын ионжуулалтын хурд нь APD-ийн гүйцэтгэлд нөлөөлдөг чухал хүчин зүйл юм. Үр дүнгээс харахад үржүүлэгч давхаргын мөргөлдөөний ионжуулалтын хурдыг InGaAs (P) /InAlAs болон In (Al) GaAs/InAlAs супер торны бүтцийг нэвтрүүлснээр сайжруулж болно. Супер торны бүтцийг ашигласнаар зурвасын инженерчлэл нь дамжуулалтын зурвас ба валентын зурвасын утгуудын хоорондох тэгш бус зурвасын ирмэгийн тасалдалыг зохиомлоор хянаж, дамжуулалтын зурвасын тасалдал нь валентын зурвасын тасалдалаас (ΔEc>>ΔEv) хамаагүй их байхыг баталгаажуулж чадна. InGaAs бөөн материалтай харьцуулахад InGaAs/InAlAs квант худгийн электрон ионжуулалтын хурд (a) мэдэгдэхүйц нэмэгдэж, электрон ба нүхнүүд нэмэлт энерги авдаг. ΔEc>>ΔEv-ийн улмаас электронуудын олж авсан энерги нь нүхний энергийн нүхний ионжуулалтын хурдад оруулсан хувь нэмрээс (b) хамаагүй илүү электрон ионжуулалтын хурдыг нэмэгдүүлдэг гэж үзэж болно. Электрон ионжуулалтын хурдны нүхний ионжуулалтын хурдад харьцуулсан харьцаа (k) нэмэгддэг. Тиймээс супер торны бүтцийг хэрэглэснээр өндөр олшруулах зурвасын өргөн бүтээгдэхүүн (GBW) болон бага дуу чимээний гүйцэтгэлийг олж авч болно. Гэсэн хэдий ч k утгыг нэмэгдүүлэх боломжтой энэхүү InGaAs/InAlAs квант худгийн бүтцийн APD-г оптик хүлээн авагчдад хэрэглэхэд хэцүү байдаг. Учир нь хамгийн их хариу үйлдэл үзүүлэхэд нөлөөлдөг үржүүлэгч хүчин зүйл нь үржүүлэгчийн дуу чимээгээр биш харин харанхуй гүйдлээр хязгаарлагддаг. Энэ бүтцэд харанхуй гүйдэл нь голчлон нарийн зурвасын зайтай InGaAs худгийн давхаргын туннелийн нөлөөгөөр үүсдэг тул квант худгийн бүтцийн худгийн давхарга болгон InGaAs-ийн оронд InGaAsP эсвэл InAlGaAs зэрэг өргөн зурвасын зайтай дөрөвдөгч хайлшийг нэвтрүүлснээр харанхуй гүйдлийг дарангуйлж болно.
Нийтэлсэн цаг: 2023 оны 11-р сарын 13