ملخص: البنية الأساسية ومبدأ عمل كاشف الانهيارات الجليدية الضوئي (كاشف ضوئي APD) يتم تقديم عملية تطور بنية الجهاز، ويتم تلخيص حالة البحث الحالية، ويتم دراسة التطوير المستقبلي لـ APD بشكل استباقي.
1. المقدمة
كاشف الضوء هو جهاز يحول الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية. فيكاشف ضوئي شبه موصليدخل الناقل المولّد ضوئيًا والمُثار بواسطة الفوتون الساقط إلى الدائرة الخارجية تحت تأثير جهد الانحياز المطبق، مُشكّلًا تيارًا ضوئيًا قابلًا للقياس. حتى عند أقصى استجابة، لا يُمكن للثنائي الضوئي PIN إنتاج أكثر من زوج من أزواج الإلكترونات والفجوات، وهو جهاز بدون كسب داخلي. لزيادة الاستجابة، يُمكن استخدام الثنائي الضوئي الانهياري (APD). يعتمد تأثير التضخيم للثنائي الضوئي الانهياري على التيار الضوئي على تأثير تصادم التأين. في ظل ظروف معينة، يُمكن للإلكترونات والفجوات المُسرّعة الحصول على طاقة كافية للاصطدام بالشبكة لإنتاج زوج جديد من أزواج الإلكترونات والفجوات. تُشبه هذه العملية تفاعلًا متسلسلًا، حيث يُمكن لزوج أزواج الإلكترونات والفجوات الناتج عن امتصاص الضوء أن يُنتج عددًا كبيرًا من أزواج الإلكترونات والفجوات، مُشكّلًا تيارًا ضوئيًا ثانويًا كبيرًا. لذلك، يتميز الثنائي الضوئي الانهياري باستجابة عالية وكسب داخلي، مما يُحسّن نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الجهاز. يُستخدم الثنائي الضوئي الانهياري بشكل رئيسي في أنظمة اتصالات الألياف الضوئية طويلة المدى أو الأصغر حجمًا، مع وجود قيود أخرى على الطاقة الضوئية المُستقبَلة. في الوقت الحاضر، يشعر العديد من خبراء الأجهزة البصرية بالتفاؤل الشديد بشأن آفاق APD، ويعتقدون أن البحث في APD ضروري لتعزيز القدرة التنافسية الدولية للمجالات ذات الصلة.
2. التطوير التقنيكاشف ضوئي للانهيارات الجليدية(كاشف ضوئي APD)
2.1 المواد
(1)كاشف ضوئي للسيليكون
تعتبر تكنولوجيا مادة السيليكون تكنولوجيا ناضجة تستخدم على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الدقيقة، ولكنها غير مناسبة لإعداد الأجهزة في نطاق الطول الموجي 1.31 مم و1.55 مم المقبولة عمومًا في مجال الاتصالات البصرية.
(2)جي
على الرغم من أن الاستجابة الطيفية لـ Ge APD مناسبة لمتطلبات انخفاض الفقد والتشتت في نقل الألياف الضوئية، إلا أن عملية التحضير تواجه صعوبات كبيرة. إضافةً إلى ذلك، فإن نسبة تأين الإلكترونات والفجوات في Ge قريبة من ()1، مما يُصعّب تحضير أجهزة APD عالية الأداء.
(3)In0.53Ga0.47As/InP
إنها طريقة فعّالة لاختيار In0.53Ga0.47As كطبقة امتصاص للضوء في APD وInP كطبقة مضاعفة. ذروة الامتصاص لمادة In0.53Ga0.47As هي 1.65 مم، 1.31 مم، وطول موجي 1.55 مم، ومعامل امتصاص عالٍ يبلغ حوالي 104 سم-1، وهي المادة المفضلة حاليًا لطبقة امتصاص كاشف الضوء.
(4)كاشف ضوئي InGaAs/فيكاشف ضوئي
باختيار InGaAsP كطبقة امتصاص للضوء وInP كطبقة مضاعفة، يُمكن تحضير APD بطول موجة استجابة يتراوح بين 1 و1.4 مم، وكفاءة كمية عالية، وتيار مظلم منخفض، وكسب انهيار عالٍ. باختيار مكونات سبائك مختلفة، يتم تحقيق أفضل أداء لأطوال موجية محددة.
(5)InGaAs/InAlAs
تتميز مادة In0.52Al0.48As بفجوة نطاقية (1.47 إلكترون فولت) ولا تمتص عند نطاق الطول الموجي 1.55 مم. تشير الدلائل إلى أن الطبقة الرقيقة من In0.52Al0.48As يمكنها تحقيق خصائص كسب أفضل من InP كطبقة مضاعفة في ظل حقن الإلكترونات النقي.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs وInGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
معدل تأين التأثير للمواد هو عامل مهم يؤثر على أداء APD. تظهر النتائج أنه يمكن تحسين معدل تأين التصادم لطبقة المضاعف من خلال إدخال هياكل الشبكة الفائقة InGaAs (P) / InAlAs و In (Al) GaAs / InAlAs. باستخدام هيكل الشبكة الفائقة، يمكن لهندسة النطاق التحكم بشكل مصطنع في انقطاع حافة النطاق غير المتماثل بين نطاق التوصيل وقيم نطاق التكافؤ، وضمان أن يكون انقطاع نطاق التوصيل أكبر بكثير من انقطاع نطاق التكافؤ (ΔEc>>ΔEv). بالمقارنة مع مواد InGaAs السائبة، يزداد معدل تأين الإلكترون في بئر الكم InGaAs / InAlAs (a) بشكل كبير، وتكتسب الإلكترونات والفجوات طاقة إضافية. بسبب ΔEc>>ΔEv، يمكن توقع أن الطاقة التي تكتسبها الإلكترونات تزيد من معدل تأين الإلكترون أكثر بكثير من مساهمة طاقة الثقب في معدل تأين الثقب (b). تزداد نسبة (k) معدل تأين الإلكترون إلى معدل تأين الثقب. لذلك، يمكن الحصول على ناتج نطاق الكسب العالي (GBW) وأداء منخفض الضوضاء من خلال تطبيق هياكل الشبكة الفائقة. ومع ذلك، يصعب تطبيق بنية البئر الكمومية InGaAs/InAlAs APD، التي يمكنها زيادة قيمة k، على المستقبلات الضوئية. وذلك لأن عامل المضاعف الذي يؤثر على أقصى استجابة يقتصر على التيار المظلم، وليس ضوضاء المضاعف. في هذه البنية، ينتج التيار المظلم بشكل أساسي عن تأثير النفق لطبقة بئر InGaAs ذات فجوة النطاق الضيقة، لذا فإن إدخال سبيكة رباعية ذات فجوة نطاق واسعة، مثل InGaAsP أو InAlGaAs، بدلاً من InGaAs كطبقة بئر في بنية البئر الكمومية يمكن أن يقمع التيار المظلم.
وقت النشر: ١٣ نوفمبر ٢٠٢٣