概要: アバランシェフォトディテクタの基本構造と動作原理 (APD光検出器）が紹介され、デバイス構造の進化プロセスが分析され、現在の研究状況がまとめられ、APDの将来の発展が展望的に研究される。
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。応答性が最大であっても、PINフォトダイオードは最大で電子-正孔対を1組しか生成できず、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の光電流増幅効果は、電離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持ち、デバイスの信号対雑音比を向上させます。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、多くの光学デバイス専門家はAPDの将来性について非常に楽観的であり、APDの研究は関連分野の国際競争力を高めるために必要不可欠であると考えている。
2. 技術開発雪崩光検出器（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用いられている成熟した技術であるが、光通信分野で一般的に受け入れられている1.31mmから1.55mmの波長範囲のデバイスの製造には適していない。
（２）Ge
Ge APDの分光応答は光ファイバー伝送における低損失・低分散の要求に適しているものの、製造プロセスには大きな困難が伴う。さらに、Geの電子と正孔のイオン化率比は（）1に近いため、高性能なAPDデバイスを製造することは難しい。
(3)In0.53Ga0.47As/InP
APDの光吸収層としてIn0.53Ga0.47Asを、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の波長で約104cm-1の高い吸収係数を示し、現在、光検出器の吸収層として好ましい材料となっています。
（４）InGaAs光検出器/で光検出器
光吸収層にInGaAsP、光増倍層にInPを選択することで、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を作製できる。異なる合金成分を選択することで、特定の波長において最適な性能を実現できる。
（５）InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48As材料はバンドギャップ（1.47eV）を持ち、1.55mmの波長域では吸収を示さない。純粋な電子注入条件下では、薄膜の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る。
（６）InGaAs/InGaAs（P）/InAlAsおよびInGaAs/In（Al）GaAs/InAlAs
材料の衝突電離率は、APD の性能に影響を与える重要な要素です。結果によると、InGaAs (P) /InAlAs および In (Al) GaAs/InAlAs 超格子構造を導入することで、乗算器層の衝突電離率を向上させることができます。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り、伝導帯と価電子帯の値間の非対称なバンド端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い (ΔEc>>ΔEv) ことを保証します。InGaAs バルク材料と比較して、InGaAs/InAlAs 量子井戸の電子電離率 (a) は大幅に増加し、電子と正孔は余分なエネルギーを得ます。ΔEc>>ΔEv のため、電子が得るエネルギーは、正孔のエネルギーが正孔電離率に寄与するよりもはるかに大きく電子電離率を増加させると予想されます (b)。電子イオン化率と正孔イオン化率の比（k）が増加する。したがって、超格子構造を適用することで、高利得帯域幅積（GBW）と低雑音性能が得られる。しかし、k値を増加させることができるこのInGaAs/InAlAs量子井戸構造APDは、光受信器への適用が難しい。これは、最大応答性に影響を与える乗算係数が乗算雑音ではなく暗電流によって制限されるためである。この構造では、暗電流は主に狭いバンドギャップを持つInGaAs井戸層のトンネル効果によって引き起こされるため、量子井戸構造の井戸層としてInGaAsの代わりにInGaAsPやInAlGaAsなどの広いバンドギャップを持つ四元合金を導入することで、暗電流を抑制できる。
投稿日時：2023年11月13日