요약: 애벌랜치 광검출기의 기본 구조 및 작동 원리 (APD 광검출기본 논문에서는 APD의 특징들을 소개하고, 소자 구조의 진화 과정을 분석하며, 현재 연구 현황을 요약하고, APD의 미래 발전 방향을 전망한다.
1. 서론
광검출기는 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 장치입니다.반도체 광검출기PIN 포토다이오드는 입사광자에 의해 여기된 광전하 운반체가 인가된 바이어스 전압 하에서 외부 회로로 들어가 측정 가능한 광전류를 생성합니다. 최대 응답성에서도 PIN 포토다이오드는 최대 한 쌍의 전자-정공 쌍만 생성할 수 있어 내부 이득이 없는 소자입니다. 더 높은 응답성을 위해서는 애벌랜치 포토다이오드(APD)를 사용할 수 있습니다. APD의 광전류 증폭 효과는 이온화 충돌 효과에 기반합니다. 특정 조건에서 가속된 전자와 정공은 격자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 생성할 만큼 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 이 과정은 연쇄 반응이므로, 빛 흡수에 의해 생성된 전자-정공 쌍이 다수의 전자-정공 쌍을 생성하여 큰 2차 광전류를 발생시킬 수 있습니다. 따라서 APD는 높은 응답성과 내부 이득을 가지며, 소자의 신호 대 잡음비를 향상시킵니다. APD는 수신 광 출력에 제약이 있는 장거리 또는 소형 광섬유 통신 시스템에 주로 사용될 것입니다. 현재 많은 광학 장치 전문가들은 APD의 전망에 대해 매우 낙관적이며, APD 연구는 관련 분야의 국제 경쟁력을 향상시키는 데 필수적이라고 믿고 있습니다.
2. 기술 개발눈사태 광검출기(APD 광검출기)
2.1 재료
(1)실리콘 광검출기
실리콘 소재 기술은 마이크로일렉트로닉스 분야에서 널리 사용되는 성숙한 기술이지만, 광통신 분야에서 일반적으로 사용되는 1.31mm 및 1.55mm 파장 범위의 소자 제작에는 적합하지 않습니다.
(2)Ge
Ge APD의 스펙트럼 응답은 광섬유 전송에서 요구되는 낮은 손실과 낮은 분산에 적합하지만, 제조 과정에 상당한 어려움이 있다. 또한, Ge의 전자와 정공 이온화율 비율이 1에 가까워 고성능 APD 소자를 제작하기 어렵다.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD의 광 흡수층으로 In0.53Ga0.47As를, 증배층으로 InP를 선택하는 것은 효과적인 방법이다. In0.53Ga0.47As 소재의 흡수 피크는 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm 파장에서 약 104cm⁻¹의 높은 흡수 계수를 가지므로, 현재 광 검출기의 흡수층에 가장 적합한 소재이다.
(4)InGaAs 광검출기/안에광검출기
InGaAsP를 광 흡수층으로, InP를 증폭층으로 선택함으로써 1~1.4mm의 응답 파장, 높은 양자 효율, 낮은 암전류 및 높은 애벌랜치 이득을 갖는 APD를 제작할 수 있다. 다양한 합금 성분을 선택함으로써 특정 파장에 대한 최적의 성능을 얻을 수 있다.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As 물질은 밴드갭(1.47eV)을 가지며 1.55mm 파장 범위에서 흡수하지 않습니다. 순수 전자 주입 조건에서 얇은 In0.52Al0.48As 에피택셜 층이 InP보다 더 나은 이득 특성을 나타낼 수 있다는 증거가 있습니다.
(6)InGaAs/InGaAs(P)/InAlAs 및 InGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs
재료의 충돌 이온화율은 APD 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 연구 결과에 따르면 InGaAs(P)/InAlAs 및 In(Al)GaAs/InAlAs 초격자 구조를 도입함으로써 증폭층의 충돌 이온화율을 향상시킬 수 있습니다. 초격자 구조를 사용하면 밴드 엔지니어링을 통해 전도대와 가전자대 사이의 비대칭적인 밴드 에지 불연속성을 인위적으로 제어하고, 전도대 불연속성이 가전자대 불연속성보다 훨씬 크도록(ΔEc >> ΔEv) 만들 수 있습니다. 벌크 InGaAs 재료와 비교했을 때, InGaAs/InAlAs 양자 우물의 전자 이온화율(a)이 크게 증가하며, 전자와 정공이 추가 에너지를 얻습니다. ΔEc >> ΔEv이므로, 전자가 얻는 에너지가 정공 이온화율에 기여하는 에너지보다 전자 이온화율을 훨씬 더 크게 증가시킬 것으로 예상됩니다(b). 따라서 전자 이온화율과 정공 이온화율의 비율(k)이 증가합니다. 따라서 초격자 구조를 적용함으로써 높은 이득 대역폭 곱(GBW)과 낮은 잡음 성능을 얻을 수 있습니다. 그러나 k 값을 증가시킬 수 있는 InGaAs/InAlAs 양자 우물 구조의 APD는 광 수신기에 적용하기 어렵습니다. 이는 최대 응답성에 영향을 미치는 승수 인자가 승수 잡음이 아닌 암전류에 의해 제한되기 때문입니다. 이 구조에서 암전류는 주로 밴드갭이 좁은 InGaAs 우물층의 터널링 효과에 의해 발생하므로, 양자 우물 구조의 우물층으로 InGaAs 대신 InGaAsP 또는 InAlGaAs와 같은 넓은 밴드갭을 가진 4원 합금을 도입하면 암전류를 억제할 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 11월 13일