概要：アバランシェ光検出器の基本構造と動作原理（APD光検出器）を紹介し、デバイス構造の進化過程を分析し、現在の研究状況をまとめ、APDの将来的な発展について展望的に検討する。
1. はじめに
光検出器は光信号を電気信号に変換する装置です。半導体光検出器入射光子によって励起された光生成キャリアは、印加バイアス電圧下で外部回路に入り、測定可能な光電流を形成します。PINフォトダイオードは、最大応答性でもせいぜい1対の電子正孔対しか生成できず、内部利得のないデバイスです。応答性を高めるには、アバランシェフォトダイオード（APD）を使用できます。APDの光電流に対する増幅効果は、イオン化衝突効果に基づいています。特定の条件下では、加速された電子と正孔は格子と衝突して新しい電子正孔対を生成するのに十分なエネルギーを得ることができます。このプロセスは連鎖反応であるため、光吸収によって生成された1対の電子正孔対は多数の電子正孔対を生成し、大きな二次光電流を形成できます。したがって、APDは高い応答性と内部利得を備えており、デバイスの信号対雑音比が向上します。APDは主に、受信光パワーに他の制限がある長距離または小規模の光ファイバー通信システムに使用されます。現在、多くの光デバイス専門家はAPDの将来性について非常に楽観的であり、関連分野の国際競争力を高めるためにはAPDの研究が必要であると考えています。
2. 技術開発アバランシェ光検出器（APD光検出器）
2.1 材料
（1）Si光検出器
Si材料技術はマイクロエレクトロニクス分野で広く使用されている成熟した技術ですが、光通信分野で一般的に受け入れられている1.31mmと1.55mmの波長範囲のデバイスの製造には適していません。
(2)ゲ
Ge APDのスペクトル応答は光ファイバ伝送における低損失・低分散の要件に適合していますが、製造プロセスには大きな困難が伴います。さらに、Geの電子と正孔のイオン化率比は（）1に近いため、高性能APDデバイスの製造は困難です。
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APDの光吸収層としてIn0.53Ga0.47Asを選択し、増倍層としてInPを選択することは効果的な方法です。In0.53Ga0.47As材料の吸収ピークは1.65mm、1.31mm、1.55mmの波長で、吸収係数は約104cm-1と高く、現在、光検出器の吸収層として最も好まれている材料です。
（4）InGaAs光検出器/で光検出器
光吸収層にInGaAsP、増倍層にInPを選択することにより、応答波長1～1.4mm、高量子効率、低暗電流、高アバランシェゲインを備えたAPDを作製できます。異なる合金成分を選択することにより、特定の波長において最適な性能が得られます。
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As材料はバンドギャップ（1.47eV）を有し、1.55mmの波長域では吸収がありません。純電子注入条件下では、薄いIn0.52Al0.48Asエピタキシャル層は増倍層としてInPよりも優れた利得特性が得られるという証拠があります。
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAsおよびInGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
材料の衝突イオン化率は、APDの性能に影響を与える重要な要素です。結果は、InGaAs (P) /InAlAsおよびIn (Al) GaAs/InAlAs超格子構造を導入することで、増倍層の衝突イオン化率を改善できることを示しています。超格子構造を使用することで、バンドエンジニアリングによって伝導帯と価電子帯の値の間の非対称バンドエッジ不連続を人工的に制御し、伝導帯不連続が価電子帯不連続よりもはるかに大きくなることを保証できます（ΔEc>>ΔEv）。InGaAsバルク材料と比較して、InGaAs/InAlAs量子井戸の電子イオン化率（a）が大幅に増加し、電子と正孔が余分なエネルギーを獲得します。ΔEc>>ΔEvにより、電子が獲得したエネルギーが電子イオン化率を、正孔エネルギーの正孔イオン化率への寄与よりもはるかに大きく増加させることが期待できます（b）。電子のイオン化率と正孔のイオン化率の比（k）が増加するため、超格子構造を適用することで、高い利得帯域幅積（GBW）と低ノイズ性能が得られます。しかし、k値を高めることができるこのInGaAs/InAlAs量子井戸構造APDは、光受信機への適用が困難です。これは、最大応答性に影響を与える乗数が、乗算器ノイズではなく暗電流によって制限されるためです。この構造では、暗電流は主にバンドギャップの狭いInGaAs井戸層のトンネル効果によって発生するため、量子井戸構造の井戸層としてInGaAsの代わりにInGaAsPやInAlGaAsなどのバンドギャップの広い四元合金を導入することで、暗電流を抑制できます。
投稿日時: 2023年11月13日