개요: 애벌랜치 광검출기의 기본 구조 및 작동 원리(APD 광검출기)을 소개하고, 소자구조의 진화과정을 분석하고, 현재의 연구현황을 요약하며, APD의 향후 발전방향을 전향적으로 연구한다.
1. 소개
광검출기는 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 장치입니다. 에서반도체 광검출기, 입사 광자에 의해 여기된 광 생성 캐리어는 적용된 바이어스 전압 하에서 외부 회로로 들어가 측정 가능한 광전류를 형성합니다. 최대 응답성에서도 PIN 포토다이오드는 최대 한 쌍의 전자-정공 쌍만 생성할 수 있으며 이는 내부 이득이 없는 장치입니다. 응답성을 높이기 위해 APD(애벌런치 포토다이오드)를 사용할 수 있습니다. 광전류에 대한 APD의 증폭 효과는 이온화 충돌 효과에 기초합니다. 특정 조건에서 가속된 전자와 정공은 격자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍 쌍을 생성할 만큼 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 이 과정은 연쇄반응이므로 광흡수에 의해 생성된 전자-정공쌍이 다수의 전자-정공쌍을 생성하여 큰 2차 광전류를 형성할 수 있다. 따라서 APD는 높은 응답성과 내부 이득을 가져 장치의 신호 대 잡음비를 향상시킵니다. APD는 수신된 광 전력에 대한 다른 제한이 있는 장거리 또는 소규모 광섬유 통신 시스템에 주로 사용됩니다. 현재 많은 광학소자 전문가들은 APD의 전망에 대해 매우 낙관적이며, 관련 분야의 국제 경쟁력을 강화하기 위해서는 APD 연구가 필요하다고 믿고 있다.
2. 기술개발눈사태 광검출기(APD 광검출기)
2.1 재료
(1)Si 광검출기
Si 소재 기술은 마이크로일렉트로닉스 분야에서 널리 활용되는 성숙한 기술이지만, 광통신 분야에서 일반적으로 수용되는 파장 범위 1.31mm~1.55mm의 소자 제작에는 적합하지 않다.
(2)게
Ge APD의 스펙트럼 응답은 광섬유 전송의 저손실 및 저분산 요구 사항에 적합하지만 준비 과정에는 큰 어려움이 있습니다. 또한 Ge의 전자와 정공 이온화율 비율은 ()1에 가까워 고성능 APD 소자를 준비하기 어렵다.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD의 광흡수층으로 In0.53Ga0.47As를 선택하고, 승수층으로 InP를 선택하는 것이 효과적인 방법이다. In0.53Ga0.47As 재료의 흡수 피크는 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm 파장이며 약 104cm-1의 높은 흡수 계수를 가지며 이는 현재 광 검출기의 흡수층에 선호되는 재료입니다.
(4)InGaAs 광검출기/안에광검출기
InGaAsP를 광흡수층으로, InP를 증배층으로 선택함으로써 응답파장 1~1.4mm, 높은 양자효율, 낮은 암전류, 높은 애벌랜치 이득을 갖는 APD를 제조할 수 있다. 다양한 합금 구성 요소를 선택하면 특정 파장에 대한 최상의 성능이 달성됩니다.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As 소재는 밴드 갭(1.47eV)을 가지며 1.55mm의 파장 범위에서 흡수하지 않습니다. 얇은 In0.52Al0.48As 에피택셜 층은 순수 전자 주입 조건 하에서 증배기 층인 InP보다 더 나은 이득 특성을 얻을 수 있다는 증거가 있습니다.
(6)InGaAs/InGaAs(P)/InAlAs 및 InGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs
재료의 충격 이온화 속도는 APD 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 결과는 InGaAs(P)/InAlAs 및 In(Al)GaAs/InAlAs 초격자 구조를 도입함으로써 증배기층의 충돌 이온화 속도를 향상시킬 수 있음을 보여준다. 초격자 구조를 사용함으로써 밴드 엔지니어링은 전도대와 가전자대 값 사이의 비대칭 밴드 가장자리 불연속성을 인위적으로 제어할 수 있으며, 전도대 불연속성이 가전자대 불연속성(ΔEc>>ΔEv)보다 훨씬 크게 되도록 보장할 수 있습니다. InGaAs 벌크 물질과 비교하여 InGaAs/InAlAs 양자 우물 전자 이온화 속도(a)가 크게 증가하고 전자와 정공이 추가 에너지를 얻습니다. ΔEc>>ΔEv로 인해 전자가 얻은 에너지는 정공 이온화 속도에 대한 정공 에너지의 기여보다 훨씬 더 전자 이온화 속도를 증가시키는 것으로 예상할 수 있습니다(b). 정공 이온화 속도에 대한 전자 이온화 속도의 비율(k)이 증가합니다. 따라서 초격자 구조를 적용하면 높은 이득 대역폭 곱(GBW)과 낮은 잡음 성능을 얻을 수 있습니다. 그러나 k 값을 높일 수 있는 InGaAs/InAlAs 양자우물 구조 APD는 광수신기에 적용하기 어렵다. 이는 최대 응답성에 영향을 미치는 승수 요인이 승수 노이즈가 아닌 암전류에 의해 제한되기 때문입니다. 이 구조에서는 밴드갭이 좁은 InGaAs 우물층의 터널링 효과에 의해 암전류가 주로 발생하므로 우물층으로 InGaAs 대신 InGaAsP나 InAlGaAs와 같은 밴드갭이 넓은 4차 합금을 도입하게 된다. 양자우물구조는 암전류를 억제할 수 있다.
게시 시간: 2023년 11월 13일