アバランシェ光検出器（APD光検出器）の原理と現状 その1

要約: 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解析し、現在の研究状況をまとめ、今後のAPDの発展を前向きに検討します。

1. はじめに
光検出器は、光信号を電気信号に変換するデバイスです。で半導体受光素子、入射光子によって励起された光生成キャリアは、印加されたバイアス電圧の下で外部回路に入り、測定可能な光電流を形成します。最大の応答性であっても、PIN フォトダイオードは最大でも電子と正孔のペアしか生成できず、内部ゲインのないデバイスです。応答性を高めるために、アバランシェ フォト ダイオード (APD) を使用できます。光電流に対する APD の増幅効果は、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、格子に衝突して新しい電子正孔ペア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る電子 - 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します。したがって、APD は高い応答性と内部ゲインを備えており、デバイスの S/N 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で使用されます。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強化するには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フォトディテクタ
Si材料技術はマイクロエレクトロニクス分野で広く使わ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や1.55mmの波長範囲のデバイスの作製には適していません。

(2)ゲ
Ge APD のスペクトル応答は、光ファイバー伝送における低損失および低分散の要件に適していますが、その製造プロセスには大きな困難があります。さらに、Ge の電子と正孔のイオン化率の比は () 1 に近いため、高性能の APD デバイスを作製するのは困難です。

(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を選択することが有効な方法です。 In0.53Ga0.47As材料の吸収ピークは1.65mm、1.31mm、1.55mmであり、波長は約104cm-1と高い吸収係数を有し、現在光検出器の吸収層として好ましい材料である。

(4)InGaAs光検出器/で光検出器
光吸収層としてInGaAsP、増倍層として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有するAPDを作製することができる。異なる合金成分を選択することにより、特定の波長に対して最高のパフォーマンスが達成されます。

(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As 材料はバンドギャップ (1.47eV) を持ち、1.55mm の波長範囲では吸収しません。薄いIn0.52Al0.48Asエピタキシャル層は、純粋な電子注入の条件下で増倍層としてInPよりも優れた利得特性を得ることができるという証拠がある。

(6)InGaAs/InGaAs(P)/InAlAsおよびInGaAs/In(Al)GaAs/InAlAs
材料の衝撃イオン化率は、APD の性能に影響を与える重要な要素です。結果は、増倍層の衝突イオン化率が、ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）／ＩｎＡｌＡｓおよびＩｎ（Ａｌ）ＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ超格子構造を導入することによって改善できることを示している。超格子構造を使用することにより、バンドエンジニアリングにより、伝導帯と価電子帯値の間の非対称なバンドエッジの不連続性を人為的に制御し、伝導帯の不連続性が価電子帯の不連続性よりもはるかに大きくなるようにすることができます（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) は大幅に増加し、電子と正孔が余分なエネルギーを獲得します。 ΔEc >> ΔEv のため、電子によって得られるエネルギーは、正孔のイオン化率に対する正孔エネルギーの寄与よりもはるかに大きく電子のイオン化率を増加させると予想できます (b)。正孔イオン化率に対する電子イオン化率の比(k)が増加します。したがって、超格子構造を適用することにより、高い利得帯域幅積 (GBW) と低ノイズ性能を得ることができます。しかし、このInGaAs/InAlAs量子井戸構造APDはk値を大きくできるため、光受信機への応用は困難である。これは、最大応答性に影響を与える乗数が乗数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引き起こされるため、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4元合金を導入する必要があります。量子井戸構造により暗電流を抑制します。