초록: 눈사태 광검출기의 기본 구조 및 작동 원리(APD 광검출기)을 소개하고, 소자 구조의 진화 과정을 분석하고, 현재 연구 현황을 정리하며, APD의 미래 발전을 전향적으로 연구한다.
1. 서론
광 검출기는 빛 신호를 전기 신호로 변환하는 장치입니다.반도체 광검출기입사 광자에 의해 여기된 광생성 캐리어는 인가된 바이어스 전압 하에서 외부 회로로 유입되어 측정 가능한 광전류를 형성합니다. 최대 응답성에서도 PIN 광다이오드는 최대 한 쌍의 전자-정공 쌍만 생성할 수 있으며, 이는 내부 이득이 없는 소자입니다. 더 높은 응답성을 위해 애벌랜치 광다이오드(APD)를 사용할 수 있습니다. APD가 광전류에 미치는 증폭 효과는 이온화 충돌 효과에 기반합니다. 특정 조건에서 가속된 전자와 정공은 격자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 생성할 수 있는 충분한 에너지를 얻을 수 있습니다. 이 과정은 연쇄 반응이므로, 광 흡수에 의해 생성된 전자-정공 쌍은 많은 수의 전자-정공 쌍을 생성하고 큰 2차 광전류를 형성할 수 있습니다. 따라서 APD는 높은 응답성과 내부 이득을 가지므로 소자의 신호대잡음비를 향상시킵니다. APD는 주로 수신 광전력에 다른 제한이 있는 장거리 또는 소규모 광섬유 통신 시스템에 사용됩니다. 현재 많은 광소자 전문가들은 APD의 전망에 대해 매우 낙관적이며, APD 연구가 관련 분야의 국제 경쟁력을 강화하는 데 필요하다고 믿고 있습니다.
2. 기술 개발눈사태 광검출기(APD 광검출기)
2.1 재료
(1)Si 광검출기
Si 소재 기술은 마이크로 전자 분야에서 널리 사용되는 성숙한 기술이지만, 광통신 분야에서 일반적으로 허용되는 1.31mm와 1.55mm 파장 범위의 소자를 제조하는 데는 적합하지 않습니다.
(2)게
Ge APD의 분광 응답은 광섬유 전송에서 저손실 및 저분산이라는 요구 조건을 충족하지만, 제조 공정에 큰 어려움이 있습니다. 또한, Ge의 전자와 정공의 이온화율 비가 ()1에 가까워 고성능 APD 소자를 제조하는 데 어려움이 있습니다.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD의 광흡수층으로 In0.53Ga0.47As를, 증배층으로 InP를 선택하는 것은 효과적인 방법입니다. In0.53Ga0.47As 소재의 흡수 피크는 1.65mm, 1.31mm, 1.55mm 파장이며, 약 104cm-1의 높은 흡수 계수를 가지고 있어 현재 광 검출기 흡수층으로 선호되는 소재입니다.
(4)InGaAs 광검출기/안에광검출기
InGaAsP를 광 흡수층으로, InP를 증배층으로 선택하면 1~1.4mm의 응답 파장, 높은 양자 효율, 낮은 암전류, 그리고 높은 애벌런치 이득을 갖는 APD를 구현할 수 있습니다. 다양한 합금 성분을 선택함으로써 특정 파장에서 최상의 성능을 얻을 수 있습니다.
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As 물질은 밴드갭(1.47eV)을 가지며 1.55mm 파장 영역에서는 흡수하지 않습니다. 순수 전자 주입 조건에서는 얇은 In0.52Al0.48As 에피택셜층이 증배층으로서 InP보다 더 나은 이득 특성을 얻을 수 있다는 증거가 있습니다.
(6)InGaAs/InGaAs(P)/InAlAs 및 InGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs
재료의 충격 이온화율은 APD 성능에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 결과에 따르면 InGaAs(P)/InAlAs 및 In(Al)GaAs/InAlAs 초격자 구조를 도입하면 증배층의 충돌 이온화율을 향상시킬 수 있습니다. 초격자 구조를 사용하면 밴드 엔지니어링을 통해 전도대와 가전자대 값 사이의 비대칭 밴드 에지 불연속성을 인위적으로 제어하고 전도대 불연속성이 가전자대 불연속성보다 훨씬 크게 할 수 있습니다(ΔEc>>ΔEv). InGaAs 벌크 재료와 비교할 때 InGaAs/InAlAs 양자 우물 전자 이온화율(a)이 크게 증가하고 전자와 정공은 추가 에너지를 얻습니다. ΔEc>>ΔEv로 인해 전자가 얻은 에너지가 정공 에너지가 정공 이온화율에 기여하는 것보다 전자 이온화율을 훨씬 더 증가시킬 것으로 예상할 수 있습니다(b). 전자 이온화율과 정공 이온화율의 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 이러한 InGaAs/InAlAs 양자우물 구조의 APD는 광수신기에 적용하기 어렵습니다. 이는 최대 응답성에 영향을 미치는 곱셈 인자가 곱셈 잡음이 아닌 암전류에 의해 제한되기 때문입니다. 이 구조에서 암전류는 주로 좁은 밴드갭을 가진 InGaAs 우물층의 터널링 효과에 의해 발생하므로, 양자우물 구조의 우물층으로 InGaAs 대신 InGaAsP 또는 InAlGaAs와 같은 넓은 밴드갭 4원 합금을 도입하면 암전류를 억제할 수 있습니다.
게시 시간: 2023년 11월 13일