Лавинный фотодиод

Лави́нные фотодио́ды (ЛФД; англ. avalanche photodiode — APD) — высокочувствительные полупроводниковые приборы, преобразующие свет в электрический сигнал за счёт фотоэффекта. Их можно рассматривать в качестве фотоприёмников, обеспечивающих внутреннее усиление посредством эффекта лавинного умножения.

С функциональной точки зрения они являются твердотельными аналогами фотоумножителей. Лавинные фотодиоды обладают большей чувствительностью по сравнению с другими полупроводниковыми фотоприёмниками, что позволяет использовать их для регистрации малых световых мощностей (≲ 1 нВт).

При подаче сильного обратного смещения (близкого к напряжению лавинного пробоя, обычно порядка нескольких сотен вольт для кремниевых приборов), происходит усиление фототока (примерно в 100 раз) за счёт ударной ионизации (лавинного умножения) сгенерированных светом носителей заряда. Суть процесса в том, что энергия образовавшегося под действием света электрона увеличивается под действием внешнего приложенного поля и может превысить порог ионизации вещества, так что столкновение такого «горячего» электрона с электроном из валентной зоны может привести к возникновению новой электрон-дырочной пары, носители заряда которой также будут ускоряться полем и могут стать причиной образования всё новых и новых носителей.

Существует ряд формул для коэффициента лавинного умножения ${\displaystyle M}$, довольно информативной является следующая:

${\displaystyle M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (F(x))\,dx}}}$,

где ${\displaystyle L}$ — длина области пространственного заряда, а ${\displaystyle \alpha }$ — коэффициент ударной ионизации (полагаемый в такой формуле одинаковым для электронов и дырок). Этот коэффициент сильно зависит от электрического поля ${\displaystyle F}$ в конкретной точке ${\displaystyle x}$ (а значит, от профиля легирования и приложенного к структуре напряжения ${\displaystyle U}$) и температуры. Отсюда возникает требование хорошей стабилизации питающего напряжения и температуры, либо учёта температуры задающей напряжение схемой.

Ещё одна эмпирическая формула показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения ${\displaystyle M}$ от приложенного обратного напряжения^[1]:

${\displaystyle M={\frac {1}{1-(U/U_{b})^{n}}}}$

где ${\displaystyle U_{b}}$ — напряжение пробоя. Показатель степени ${\displaystyle n}$ принимает значения от 2 до 6, в зависимости от характеристик материала и структуры p-n-перехода.

Исходя из того, что в общем случае с возрастанием обратного напряжения растёт и коэффициент усиления, существует ряд технологических приёмов при изготовлении, позволяющих повысить напряжение пробоя до более чем 1500 В и получить таким образом усиление начального фототока более чем в 1000 раз. Следует иметь в виду, что простое повышение напряженности поля в p-n-переходе без предпринятия дополнительных мер может привести к увеличению шумов.

Если требуются очень высокие коэффициенты усиления (10⁵ — 10⁶), возможна эксплуатация некоторых типов ЛФД при напряжениях выше пробойных. В этом случае требуется подавать на фотодиод ограниченные по току короткие быстро спадающие импульсы. Для этого могут использоваться активные и пассивные стабилизаторы тока. Приборы, действующие таким образом, работают в режиме счётчика Гейгера (Geiger mode). Этот режим применяется для создания детекторов, реагирующих на единичные фотоны (при условии, что шумы достаточно малы).

Типичное применение ЛФД — лазерные дальномеры и оптоволоконные линии связи. Среди новых применений можно назвать позитронно-эмиссионную томографию и физику элементарных частиц^[2].

В настоящее время уже появляются коммерческие образцы массивов (фоточувствительных матриц) лавинных фотодиодов.

Сфера применения и эффективность ЛФД зависят от многих факторов. Наиболее важными являются:

• квантовая эффективность, которая показывает, какая доля падающих фотонов приводит к образованию носителей заряда и возникновению тока;
• суммарный ток утечек, который складывается из темнового тока и шумов.

Электронные шумы могут быть двух типов: последовательные и параллельные. Первые являются следствием дробовых флуктуаций и в основном пропорциональны ёмкости ЛФД, тогда как параллельные связаны с механическими колебаниями прибора и поверхностными токами утечки. Другим источником шума является фактор избыточного шума (англ. excess noise factor), ${\displaystyle f}$. В нём описываются статистические шумы, которые присущи случайному процессу лавинного умножения ${\displaystyle M}$ в ЛФД. Обычно он выражается следующим образом:

${\displaystyle f=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)\left(1-\kappa \right)}$

где ${\displaystyle \kappa }$ — соотношение коэффициентов ударной ионизации для дырок и электронов (в формуле для ${\displaystyle F}$ условно принятое равным 1). Таким образом, увеличение асимметрии коэффициентов ионизации приводит к уменьшению этих помех. К этому стремятся на практике, так как ${\displaystyle f(M)}$ вносит основной вклад в ограничение разрешающей способности приборов по энергии.

Ограничения на скорость работы накладывают ёмкости, времена пролёта электронов и дырок через полупроводниковую структуру и время лавинного умножения. Ёмкость прибора увеличивается с ростом площади переходов и уменьшением толщины. Время пролёта электронов и дырок возрастает с увеличением толщины, что заставляет идти на компромисс между паразитной ёмкостью и временем пролёта. Задержки, связанные с лавинным умножением, определяются структурой диодов и применяемыми материалами, существует зависимость от ${\displaystyle \kappa }$.

Для создания этих приборов могут использоваться различные полупроводники:

• Кремний используется для работы в ближнем ИК-диапазоне, при этом имеет малые шумы, связанные с умножением носителей.
• Германий чувствителен к инфракрасным волнам длиной вплоть до 1,7 мкм, но приборы на его основе имеют заметные шумы.
• Арсенид галлия обеспечивает приём волн длиной до 1,6 мкм, при этом имеют шумы меньшие, нежели у германиевых приборов.
  • Обычно арсенид галлия используется для изготовления лавинных фотодиодов с гетероструктурами, также включающих фосфид индия в качестве подложки и второго слоя для создания гетероструктуры^[4]. Эта гетероструктура имеет рабочий диапазон в пределах 0,7—0,9 мкм.
  • Арсенид галлия-индия (InGaAs) имеет высокий коэффициент поглощения на длинах волн, обычно используемых в волоконно-оптических линиях связи, поэтому достаточно даже микронных слоёв InGaAs для полного поглощения излучения^[4].

Эти материалы обеспечивают небольшие задержки и малые шумы, что позволяет получить устройства с полосой частот более 100 ГГц для простой InP/InGaAs системы^[5] и до 400 ГГц для InGaAs в гетероструктуре на кремнии^[6], что делает возможным передачу данных на скоростях, превышающих 10 Гбит/с^[7].

• Диоды на основе нитрида галлия используются для работы в ультрафиолетовом диапазоне волн.
• Теллурид ртути-кадмия^[англ.] (HgCdTe) применяется для изготовления диодов, работающих в ближней инфракрасной части спектра, обычно максимальная длина волны достигает до 14 мкм. Но при этом такие приборы требуют охлаждения для снижения темновых токов. Охлаждение способно обеспечить очень низкий уровень помех.

Причина применения сверхрешёток для построения лавинных фотодиодов заключается в том, что большие различия между коэффициентами ударной ионизации для электронов и дырок приводят к сокращению шумов.

Ещё одно преимущество подобных структур в том, что процесс лавинного размножения более локализован, что также уменьшает помехи. Толщины отдельных слоёв в сверхрешётке лежат между 100 и 500 Å.

• Фототранзистор
• Фототиристор
• Фоторезистор
• Оптрон
• pin-диод
• Однофотонный лавинный фотодиод^[англ.]

• Kagawa, S. Fully ion-implanted p+-n germanium avalanche photodiodes (англ.) // Applied Physics Letters : journal. — 1981. — Vol. 38. — P. 429. — doi:10.1063/1.92385.
• Hyun, Kyung-Sook; Park. Breakdown characteristics in InP/InGaAs avalanche photodiode with p-i-n multiplication layer structure (англ.) // Journal of Applied Physics : journal. — 1997. — Vol. 81. — P. 974. — doi:10.1063/1.364225.
• Selecting the right APD
• Pulsed Laserdiodes and Avalanche Photodiodes for Industrial Applications