हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (एपीडी फोटोडिटेक्टर) का सिद्धांत और वर्तमान स्थिति - भाग एक

सारांश: हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर की मूल संरचना और कार्य सिद्धांत (एपीडी फोटोडिटेक्टर) का परिचय दिया जाता है, उपकरण संरचना की विकास प्रक्रिया का विश्लेषण किया जाता है, वर्तमान अनुसंधान स्थिति का सारांश प्रस्तुत किया जाता है, और एपीडी के भविष्य के विकास का संभावित रूप से अध्ययन किया जाता है।

1 परिचय
फोटोडिटेक्टर एक ऐसा उपकरण है जो प्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है।सेमीकंडक्टर फोटोडिटेक्टरआपतित फोटॉन द्वारा उत्तेजित फोटो-जनित वाहक, अनुप्रयुक्त बायस वोल्टेज के तहत बाह्य परिपथ में प्रवेश करता है और एक मापने योग्य फोटोकरंट उत्पन्न करता है। अधिकतम प्रतिक्रियाशीलता पर भी, एक पिन फोटोडायोड अधिकतम केवल एक इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न कर सकता है, जो आंतरिक लाभ रहित उपकरण है। अधिक प्रतिक्रियाशीलता के लिए, एक एवलांच फोटोडायोड (एपीडी) का उपयोग किया जा सकता है। फोटोकरंट पर एपीडी का प्रवर्धन प्रभाव आयनीकरण टक्कर प्रभाव पर आधारित है। कुछ निश्चित परिस्थितियों में, त्वरित इलेक्ट्रॉन और होल जाली से टकराने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों का एक नया युग्म उत्पन्न होता है। यह प्रक्रिया एक श्रृंखला अभिक्रिया है, जिससे प्रकाश अवशोषण द्वारा उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों का एक युग्म बड़ी संख्या में इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न कर सकता है और एक बड़ा द्वितीयक फोटोकरंट बना सकता है। इसलिए, एपीडी में उच्च प्रतिक्रियाशीलता और आंतरिक लाभ होता है, जो उपकरण के सिग्नल-टू-शोर अनुपात को बेहतर बनाता है। एपीडी का उपयोग मुख्य रूप से लंबी दूरी या छोटे ऑप्टिकल फाइबर संचार प्रणालियों में किया जाएगा, जहां प्राप्त ऑप्टिकल शक्ति पर अन्य सीमाएं होती हैं। वर्तमान में, कई ऑप्टिकल उपकरण विशेषज्ञ एपीडी की संभावनाओं को लेकर बहुत आशावादी हैं, और मानते हैं कि संबंधित क्षेत्रों की अंतरराष्ट्रीय प्रतिस्पर्धात्मकता को बढ़ाने के लिए एपीडी का अनुसंधान आवश्यक है।

2. तकनीकी विकासहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर(एपीडी फोटोडिटेक्टर)

2.1 सामग्री
(1)Si फोटोडिटेक्टर
सिलिकॉन (Si) सामग्री प्रौद्योगिकी एक परिपक्व प्रौद्योगिकी है जिसका उपयोग सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में व्यापक रूप से किया जाता है, लेकिन यह 1.31 मिमी और 1.55 मिमी की तरंगदैर्ध्य सीमा में उपकरणों के निर्माण के लिए उपयुक्त नहीं है जो आमतौर पर ऑप्टिकल संचार के क्षेत्र में स्वीकार्य हैं।

(2) जीई
यद्यपि Ge APD की स्पेक्ट्रल प्रतिक्रिया ऑप्टिकल फाइबर ट्रांसमिशन में कम हानि और कम फैलाव की आवश्यकताओं के लिए उपयुक्त है, फिर भी इसकी तैयारी प्रक्रिया में बहुत कठिनाइयाँ हैं। इसके अलावा, Ge के इलेक्ट्रॉन और होल आयनीकरण दर का अनुपात लगभग () 1 है, इसलिए उच्च-प्रदर्शन APD उपकरणों का निर्माण करना मुश्किल है।

(3)In0.53Ga0.47As/InP
APD की प्रकाश अवशोषण परत के रूप में In0.53Ga0.47As और गुणक परत के रूप में InP का चयन एक प्रभावी विधि है। In0.53Ga0.47As पदार्थ का अवशोषण शिखर क्रमशः 1.65mm, 1.31mm और 1.55mm तरंगदैर्ध्य पर लगभग 104cm⁻¹ का उच्च अवशोषण गुणांक है, जो वर्तमान में प्रकाश डिटेक्टर की अवशोषण परत के लिए पसंदीदा पदार्थ है।

(4)InGaAs फोटोडिटेक्टर/मेंफोटोडिटेक्टर
प्रकाश अवशोषक परत के रूप में InGaAsP और गुणक परत के रूप में InP का चयन करके, 1-1.4 मिमी की प्रतिक्रिया तरंगदैर्ध्य, उच्च क्वांटम दक्षता, कम डार्क करंट और उच्च हिमस्खलन लाभ वाले APD को तैयार किया जा सकता है। विभिन्न मिश्रधातु घटकों का चयन करके, विशिष्ट तरंगदैर्ध्यों के लिए सर्वोत्तम प्रदर्शन प्राप्त किया जा सकता है।

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As पदार्थ का बैंड गैप (1.47 eV) है और यह 1.55 mm की तरंगदैर्ध्य सीमा पर अवशोषित नहीं होता है। इस बात के प्रमाण हैं कि शुद्ध इलेक्ट्रॉन इंजेक्शन की स्थिति में, In0.52Al0.48As की पतली एपिटैक्सियल परत, गुणक परत के रूप में InP की तुलना में बेहतर लाभ विशेषताएँ प्राप्त कर सकती है।

(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs और InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
सामग्रियों की प्रभाव आयनीकरण दर APD के प्रदर्शन को प्रभावित करने वाला एक महत्वपूर्ण कारक है। परिणामों से पता चलता है कि InGaAs (P) /InAlAs और In (Al) GaAs/InAlAs सुपरलैटिस संरचनाओं को शामिल करके गुणक परत की टक्कर आयनीकरण दर में सुधार किया जा सकता है। सुपरलैटिस संरचना का उपयोग करके, बैंड इंजीनियरिंग द्वारा चालन बैंड और संयोजकता बैंड मानों के बीच असममित बैंड एज असंतुलन को कृत्रिम रूप से नियंत्रित किया जा सकता है, और यह सुनिश्चित किया जा सकता है कि चालन बैंड असंतुलन संयोजकता बैंड असंतुलन से काफी अधिक हो (ΔEc>>ΔEv)। InGaAs बल्क सामग्रियों की तुलना में, InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर (a) में उल्लेखनीय वृद्धि होती है, और इलेक्ट्रॉन और होल अतिरिक्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं। ΔEc>>ΔEv के कारण, यह अनुमान लगाया जा सकता है कि इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्राप्त ऊर्जा इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर को होल आयनीकरण दर में होल ऊर्जा के योगदान की तुलना में कहीं अधिक बढ़ाती है (b)। इलेक्ट्रॉन आयनीकरण दर और होल आयनीकरण दर का अनुपात (k) बढ़ जाता है। इसलिए, सुपरलैटिस संरचनाओं का उपयोग करके उच्च गेन-बैंडविड्थ उत्पाद (GBW) और कम शोर प्रदर्शन प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, यह InGaAs/InAlAs क्वांटम वेल संरचना APD, जो k मान को बढ़ा सकती है, ऑप्टिकल रिसीवरों में उपयोग करना कठिन है। इसका कारण यह है कि अधिकतम प्रतिक्रियाशीलता को प्रभावित करने वाला गुणक कारक डार्क करंट द्वारा सीमित होता है, न कि गुणक शोर द्वारा। इस संरचना में, डार्क करंट मुख्य रूप से संकीर्ण बैंड गैप वाली InGaAs वेल परत के टनलिंग प्रभाव के कारण होता है, इसलिए क्वांटम वेल संरचना की वेल परत के रूप में InGaAs के स्थान पर InGaAsP या InAlGaAs जैसी विस्तृत बैंड गैप वाली चतुर्धातुक मिश्र धातु का उपयोग करने से डार्क करंट को कम किया जा सकता है।