アバランシェフォトダイオード
シリコンAPDの構造
シリコンAPDの構造

アバランシェフォトダイオード（APD ）は、高感度フォトダイオードの一種で、一般的には光起電力効果を利用して光を電気に変換する半導体ダイオードです。APDは、逆方向ブレークダウン電圧に近い高い逆バイアス電圧で動作するように最適化された材料と構造を採用しており、光起電力効果によって生成された電荷キャリアがアバランシェブレークダウンによって増幅されるため、比較的微量の光を検出することができます。

機能的な観点から見ると、APDは光電子増倍管の半導体版とみなすことができます。太陽電池とは異なり、光から電気を生成するために最適化されているのではなく、入射する光子を検出するために最適化されています。APDの代表的な用途としては、レーザー距離計、長距離光ファイバー通信、陽電子放出断層撮影、素粒子物理学などがあります。

歴史

アバランシェフォトダイオードは1952年に日本の技術者である西澤潤一によって発明されました。 [ 1 ]しかし、アバランシェブレークダウン、シリコンとゲルマニウムのマイクロプラズマ欠陥、pn接合を使用した光検出の研究はこの特許より前から行われていました。

動作原理

フォトダイオードは一般的に衝突電離によって動作します。この現象では、光子がエネルギーを半導体材料中の電荷キャリアに供給し、正負の電荷ペアを分離することで、ダイオードに電荷の流れが生じます。高い逆バイアス電圧を印加すると、ダイオード内の光電効果はアバランシェ効果によって増幅されます。したがって、APDは誘起された光電流に 高いゲイン効果を適用していると考えることができます。

一般的に、逆電圧が高いほどゲインは高くなります。標準的なシリコンAPDは、ブレークダウン前の逆バイアス電圧を100～200Vまで耐えることができ、ゲイン係数は約100になります。しかし、従来のAPDとは異なるドーピングおよびベベル（構造）技術を採用することで、ブレークダウンに達する前により高い電圧（1500V以上）を印加できる設計が可能になり、より高い動作ゲイン（1000以上）を実現できます。

APD乗算係数（M）の様々な表現の中で、次の式が参考になる。

M＝11−∫0Lα（×）d×、{\displaystyle M={\frac {1}{1-\int _{0}^{L}\alpha (x)\,dx}},}

ここで、Lは電子の空間電荷境界であり、は電子（および正孔）の増倍係数です。この係数は、印加電界強度、温度、およびドーピングプロファイルに強く依存します。APDの利得は印加逆バイアスと温度によって大きく変化するため、安定した利得を維持するためには逆電圧を厳密に監視する必要があります。 α{\displaystyle \alpha}

ガイガーモード計数

非常に高いゲイン（10 5～ 10 6 ）が必要な場合、APDに関連するSPAD（シングルフォトンアバランシェダイオード）と呼ばれる検出器を使用し、一般的なAPDのブレークダウン電圧を超える逆電圧で動作させることができます。この場合、光検出器の信号電流を制限し、急速に減衰させる必要があります。この目的のために、能動型および受動型の電流抑制技術が用いられてきました。この高ゲイン領域で動作するSPADは、ガイガーモードと呼ばれることがあります。このモードは、暗カウントイベント率とアフターパルス発生確率が十分に低い場合、特にシングルフォトン検出に有効です。

材料

原理的には、あらゆる半導体材料を増倍領域として使用できます。

  • シリコンは低い乗算ノイズ（過剰ノイズ）で可視光線と近赤外線を検出します。
  • ゲルマニウム(Ge) は1.7 μm の波長までの赤外線を検出しますが、増幅ノイズが高くなります。
  • InGaAsは1.6 μmより長い波長まで検出でき、Geよりも増倍雑音が少ない。通常、ヘテロ構造ダイオードの吸収領域として使用され、最も一般的にはInPが基板と増倍層の両方に使用されている。[ 2 ]この材料システムは、約0.9～1.7 μmの吸収ウィンドウと互換性がある。InGaAsは、光ファイバーを使用した高速通信に適した波長で高い吸収係数を示すため、わずか数マイクロメートルのInGaAsでほぼ100%の光吸収が可能になる。[ 2 ]過剰雑音係数は十分に低いため、単純なInP/InGaAsシステムでは100 GHzを超える利得帯域幅積が可能であり、[ 3 ]シリコン上のInGaAsでは最大400 GHzである。[ 4 ]そのため、高速動作が可能であり、市販のデバイスでは少なくとも10 Gbit/sの速度で利用できる。[ 5 ]
  • 窒化ガリウムベースのダイオードは紫外線による動作に使用されてきました。
  • HgCdTeベースのダイオードは赤外線（典型的には波長約14μmまで）で動作しますが、暗電流を低減するために冷却が必要です。この材料系では、非常に低い過剰ノイズを実現できます。

構造

APDは単純なpn接合として構築されることはなく、p+-ip-n+などのより複雑な設計になっていることが多い。[ 6 ]

パフォーマンスの限界

APDの適用性と有用性は、多くのパラメータに依存します。大きな要因としては、入射光子がどの程度吸収され、一次電荷キャリアの生成に利用されるかを示す量子効率と、暗電流、光電流、ノイズの合計である総リーク電流が挙げられます。電子的な暗ノイズ成分には、直列ノイズと並列ノイズがあります。直列ノイズはショットノイズの影響であり、基本的にAPDの容量に比例しますが、並列ノイズはAPDのバルク暗電流と表面暗電流の変動に関連します。

ゲインノイズ、過剰雑音係数

もう一つのノイズ源は、過剰雑音係数（ENF）です。これはノイズに適用される乗法補正値であり、乗算プロセスによる統計的ノイズ、特にポアソンノイズの増加を表します。ENFは、光電子増倍管、シリコン固体光電子増倍管、APDなど、信号を乗算するあらゆるデバイスに対して定義され、「ゲインノイズ」と呼ばれることもあります。ゲインMでは、ENF( M )と表され、多くの場合、次のように表されます 。

ENF＝κM+（2−1M）（1−κ）、{\displaystyle {\text{ENF}}=\kappa M+\left(2-{\frac {1}{M}}\right)(1-\kappa ),}

ここで、正孔衝突イオン化率と電子衝突イオン化率の比です。電子増倍装置の場合、この比は正孔衝突イオン化率を電子衝突イオン化率で割った値となります。ENF( M )は、得られるエネルギー分解能を制限する主な要因の一つであるため、ENF( M )を最小化するために、これらのイオン化率の間に大きな非対称性を持たせることが望ましいです。 κ{\displaystyle \kappa }

変換ノイズ、ファノ係数

APDのノイズ項には、ファノ係数が含まれる場合があります。これは、荷電粒子によって付与されたエネルギーが電子-正孔対（増倍前の信号）に変換される際に生じるポアソンノイズに適用される乗法補正です。補正係数は、変換プロセスの均一性と、変換プロセスにおけるバス状態の欠如またはバス状態との弱い結合に起因する、ポアソン統計に対するノイズの減少を表します。言い換えれば、「理想的な」半導体は、エネルギー保存のために、荷電粒子のエネルギーを正確かつ再現可能な数の電子-正孔対に変換します。しかし実際には、荷電粒子によって付与されたエネルギーは、電子-正孔対の生成、音の発生、熱の発生、そして損傷または変位の生成に分割されます。これらの他のチャネルの存在により、確率過程が導入され、付与されるエネルギー量が同じであっても、単一のプロセスに付与されるエネルギー量はイベントごとに変化します。

さらなる影響

過剰雑音係数（ゲイン雑音）とファノ係数（変換雑音）に関連する基礎的な物理的性質は大きく異なります。しかし、これらの係数を予想されるポアソン雑音への乗法補正として適用する点は似ています。過剰雑音に加えて、静電容量、走行時間、アバランシェ増倍時間に関連するデバイス性能の限界があります。[ 2 ]静電容量は、デバイス面積の増加と厚さの減少に伴って増加します。走行時間（電子と正孔の両方）は厚さの増加に伴って増加するため、性能と静電容量と走行時間の間でトレードオフが必要になります。アバランシェ増倍時間とゲインの積は、デバイス構造、特に の関数であるゲイン帯域幅積によって一次的に決まります。 κ{\displaystyle \kappa \,}

参照

参考文献

  1. ^ 「西澤潤一 – エンジニア、上智大学特別教授 – JAPAN QUALITY REVIEW」 。 2018年7月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2017年5月15日閲覧。
  2. ^ a b c Tsang, WT編 (1985). 『半導体と半金属』第22巻、パートD「光検出器」. アカデミックプレス.
  3. ^ Tarof, LE (1991). 「100GHzを超える利得帯域幅積を持つ平面InP/GaAsアバランシェ光検出器」. Electronics Letters . 27 (1): 34– 36. Bibcode : 1991ElL....27...34T . doi : 10.1049/el:19910023 .
  4. ^ Wu, W.; Hawkins, AR; Bowers, JE (1997). 「400GHzゲイン帯域幅積を実現するInGaAs/Siアバランシェ光検出器の設計」 Park, Yoon-Soo; Ramaswamy, Ramu V (編). Optoelectronic Integrated Circuits . Vol. 3006. pp.  36– 47. Bibcode : 1997SPIE.3006...38W . doi : 10.1117/12.264251 . S2CID 109777495 . {{cite book}}:|journal=無視されました (ヘルプ)
  5. ^ Campbell, JC (2007). 「通信用アバランシェフォトダイオードの最近の進歩」 . Journal of Lightwave Technology . 25 (1): 109– 121. Bibcode : 2007JLwT...25..109C . doi : 10.1109/JLT.2006.888481 . S2CID 1398387 . 
  6. ^ 「アバランシェフォトダイオード：構造、動作、およびその応用」 2021年11月25日。

さらに読む

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