Лавинный фотодиод

Лавинный фотодиод (ЛФД) — это полупроводниковый фотоприёмник, работающий на основе внутреннего фотоэффекта и использующий эффект лавинного умножения носителей заряда для усиления первичного фототока. Относится к классу фотодиодов, работающих в режиме обратного смещения с напряжением, близким к напряжению пробоя p-n-перехода. Основное назначение ЛФД — регистрация слабых оптических сигналов, в том числе одиночных фотонов, с высоким временным разрешением.

Принцип действия

Принцип работы ЛФД основан на поглощении фотона в обеднённой области полупроводника, что приводит к генерации электронно-дырочной пары. Под действием сильного электрического поля (порядка 10⁵–10⁶ В/см), создаваемого высоким обратным напряжением, носители заряда ускоряются и приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решётки. Этот процесс, называемый ударной ионизацией, приводит к генерации вторичных носителей, которые, в свою очередь, также ускоряются и порождают новые пары. В результате формируется лавина носителей, обеспечивающая внутреннее усиление фототока в десятки, сотни и даже тысячи раз.

Коэффициент лавинного умножения (M) определяется как отношение выходного тока ЛФД к первичному фототоку. Он сильно зависит от приложенного напряжения и температуры. Для стабильной работы ЛФД требуется точная стабилизация напряжения питания и термостатирование.

Устройство и конструкция

ЛФД изготавливаются на основе монокристаллического кремния (Si), германия (Ge), арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) и других полупроводниковых материалов. Конструктивно ЛФД представляет собой p-n-переход, часто с дополнительными слоями для оптимизации поглощения света и локализации электрического поля.

Основные конструктивные элементы:

• Область поглощения — слой полупроводника, в котором происходит генерация первичных носителей заряда. Её толщина выбирается исходя из длины волны регистрируемого излучения.
• Область умножения — слой с высоким электрическим полем, где происходит лавинное умножение. Обычно это тонкий слой с высокой концентрацией примеси.
• Защитное кольцо (guard ring) — область с плавным градиентом концентрации примеси, окружающая активную область. Предназначена для предотвращения краевого пробоя и снижения темнового тока.

Для повышения эффективности регистрации слабых сигналов применяются ЛФД с разделёнными областями поглощения и умножения (SAM — Separate Absorption and Multiplication). В таких структурах поглощение происходит в узкозонном материале, а умножение — в широкозонном, что позволяет снизить шумы и улучшить временные характеристики.

Характеристики и параметры

Основные параметры ЛФД:

• Коэффициент лавинного умножения (M) — отношение выходного тока к первичному фототоку. Типичные значения: от 10 до 1000.
• Тёмновой ток — ток, протекающий через ЛФД в отсутствие освещения. Включает ток утечки и ток, обусловленный термической генерацией носителей. Для кремниевых ЛФД составляет единицы наноампер.
• Квантовая эффективность (QE) — отношение числа собранных носителей к числу падающих фотонов. Может достигать 80–90% в спектральном диапазоне, соответствующем материалу.
• Спектральная чувствительность — зависимость чувствительности от длины волны. Для кремниевых ЛФД — 400–1100 нм, для германиевых и InGaAs — 900–1700 нм.
• Время нарастания — время, за которое выходной сигнал нарастает от 10% до 90% от максимального значения. Для быстродействующих ЛФД составляет десятки пикосекунд.
• Избыточный шум-фактор (F) — параметр, характеризующий увеличение дробового шума из-за статистического характера лавинного умножения. Для кремниевых ЛФД F ≈ 2–5, для германиевых — 5–10.
• Напряжение пробоя (V_br) — напряжение, при котором начинается лавинный пробой. Обычно составляет 50–500 В.

Классификация

ЛФД классифицируются по нескольким признакам:

По материалу

• Кремниевые (Si-ЛФД) — наиболее распространённые. Обладают низким уровнем шума, высоким быстродействием и хорошей квантовой эффективностью в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне.
• Германиевые (Ge-ЛФД) — используются для регистрации инфракрасного излучения в диапазоне 1,0–1,6 мкм. Характеризуются более высоким уровнем шума.
• InGaAs-ЛФД — на основе фосфида индия и арсенида галлия-индия. Применяются в волоконно-оптических линиях связи для диапазона 1,3–1,6 мкм. Обеспечивают высокую чувствительность и быстродействие.

По режиму работы

• Линейные ЛФД — работают в режиме, когда коэффициент умножения пропорционален приложенному напряжению. Используются для аналоговой регистрации сигналов.
• Счётчики одиночных фотонов (SPAD — Single Photon Avalanche Diode) — работают в режиме Гейгера, когда напряжение смещения превышает напряжение пробоя. Одиночный фотон вызывает самоподдерживающуюся лавину, которая затем гасится специальной схемой. Позволяют регистрировать единичные фотоны.

Применение

ЛФД находят широкое применение в различных областях науки и техники:

• Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС) — используются в приёмниках дальней связи для регистрации сигналов, ослабленных на десятки децибел. Обеспечивают высокую чувствительность и скорость передачи данных (до 100 Гбит/с и выше).
• Лазерная дальнометрия (LIDAR) — применяются в системах обнаружения и измерения расстояния до объектов, в том числе в автомобильных лидарах для систем автономного вождения.
• Оптическая томография — используются в системах оптической когерентной томографии (ОКТ) для получения изображений биологических тканей с высоким разрешением.
• Спектроскопия — применяются для регистрации слабых оптических сигналов в спектральных приборах, в том числе в рамановской спектроскопии.
• Ядерная физика и физика высоких энергий — используются для регистрации сцинтилляционного излучения в детекторах частиц.
• Квантовая криптография — используются в системах распределения квантовых ключей для регистрации одиночных фотонов.
• Медицинская диагностика — применяются в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) для регистрации гамма-квантов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Высокая чувствительность, позволяющая регистрировать слабые оптические сигналы.
• Внутреннее усиление, снижающее требования к последующим электронным усилителям.
• Высокое быстродействие (пикосекундный диапазон).
• Возможность регистрации одиночных фотонов (в режиме SPAD).

Недостатки

• Высокое рабочее напряжение (десятки–сотни вольт).
• Значительная зависимость коэффициента умножения от температуры и напряжения, требующая стабилизации.
• Наличие избыточного шума, обусловленного статистическим характером лавинного умножения.
• Относительно высокая стоимость по сравнению с обычными фотодиодами.
• Чувствительность к перегрузкам по току (в режиме SPAD).

История

Первые работы по изучению лавинного пробоя в полупроводниках относятся к 1950-м годам. В 1965 году был предложен первый лавинный фотодиод на основе кремния. В 1970-х годах началось активное применение ЛФД в волоконно-оптических линиях связи. В 1980-х годах были разработаны ЛФД на основе InGaAs для инфракрасного диапазона. В 1990-х годах началось использование ЛФД в режиме счёта одиночных фотонов (SPAD). В XXI веке развитие технологии привело к созданию матричных ЛФД (лавинных фотодиодных матриц) и кремниевых фотоэлектронных умножителей (SiPM), нашедших применение в медицинской визуализации и физике высоких энергий.

Источники

• С. М. Зи. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
• Г. Г. Девятых, В. А. Крылов. Фотоприёмники на основе лавинных фотодиодов. — М.: Радио и связь, 1988.
• A. S. Grove. Physics and Technology of Semiconductor Devices. — Wiley, 1967.
• J. C. Campbell. Recent Advances in Avalanche Photodiodes. Journal of Lightwave Technology, 2016.
• F. Zappa, S. Tisa, A. Tosi, S. Cova. Principles and features of single-photon avalanche diode arrays. Sensors and Actuators A: Physical, 2007.