Avalanche-Photodioden bzw. Lawinenphotodioden (, APD), sind hochempfindliche, schnelle Photodioden und zählen zu den Avalanche-Dioden. Sie nutzen den inneren photoelektrischen Effekt zur Ladungsträgererzeugung und den Lawinendurchbruch (Avalanche-Effekt) zur internen Verstärkung. Sie können als das Halbleiteräquivalent zum Photomultiplier betrachtet werden und finden Anwendung bei der Detektierung sehr geringer Strahlungsleistungen, bis hin zu einzelnen Photonen, mit erreichbaren Grenzfrequenzen bis in den Gigahertz-Bereich. Die höchste spektrale Empfindlichkeit liegt dabei je nach verwendetem Material in einem Bereich von 250–1700 nm, wobei von einem Diodentyp immer nur ein Teilbereich abgedeckt werden kann. Eine Mischung aus Photomultipliern und Avalanche-Photodioden stellen Hybridphotodetektoren dar. mini|Avalanche-Photodiode
Aufbau und Funktion mini|Schematischer Schichtaufbau einer Si-APD. Die Farbverläufe stellen die Raumladungsverteilung bei angelegter Sperrspannung dar, mit dazugehöriger elektrischer Feldstärkeverteilung (unten). mini|Die durch Stoßionisation entstehende Ladungslawine in einer Si-APD. Photonen werden in der vollständig verarmten intrinsischen i-Schicht absorbiert und erzeugen dort Ladungsträgerpaare. In einer Si-APD werden die Elektronen zur Multiplikationszone hin beschleunigt und verursachen dort die Ladungslawine. Avalanche-Photodioden sind für einen kontrollierten Lawinendurchbruch konstruiert und ähneln in ihrem Aufbau pin-Photodioden. Im Gegensatz zum p-i-n-Schichtaufbau dieser Dioden wird durch eine zusätzliche schmale und hoch dotierte p- oder n-Schicht die Raumladungsverteilung so modelliert (siehe mittlere Abb.), dass im Anschluss an die intrinsische i- bzw. π-Schicht ein Bereich sehr hoher elektrischer Feldstärkeverteilung erzeugt wird (siehe untere Abb.). Dieser Bereich fungiert als sogenannte Multiplikationszone und erzeugt die interne Verstärkung der Avalanche-Photodioden. Eine typische Si-APD besitzt ein p+-i-p-n+-Dotierungsprofil, wobei wie bei der pin-Diode die schwach p-dotierte intrinsische i- bzw. π-Schicht als Absorptionsgebiet dient. Beim Anlegen einer Sperrspannung driften die dort durch Photonen erzeugten freien Elektronen in die Multiplikationszone, die durch die Raumladungszone des p-n+-Übergangs erzeugt wird. Die Ladungsträger werden dann auf Grund der dort vorherrschenden hohen elektrischen Feldstärke stark beschleunigt und erzeugen durch Stoßionisation Sekundärladungsträger, die dann wiederum beschleunigt werden und ihrerseits weitere Ladungsträger erzeugen (siehe untere Abb.). Si-Avalanche-Photodioden werden mit Sperrspannungen, nahe der Durchbruchspannung, von einigen 100 V betrieben und erreichen eine Verstärkung von M = 100–500 (Multiplikationsfaktor).Avalanche-Photodiodes – A User Guide. PerkinElmer 2010 (PDF; 80 kB). Oberhalb der Durchbruchspannung kommt es zum lawinenartigen Fortschreiten des beschriebenen Prozesses (Lawinendurchbruch), was zu einem (kurzzeitigen) Verstärkungsfaktor von einigen Millionen führt.
Multiplikations- und Zusatzrauschfaktor Die Verstärkung wird wie oben beschrieben durch Stoßionisation der freien Ladungsträger verursacht, wobei je nach Material sowohl Elektronen als auch Löcher zur Vervielfältigung in der Multiplikationszone benutzt werden. Entscheidend sind die Ionisationskoeffizienten der Elektronen αn und der Löcher αp, die exponentiell von der elektrischen Feldstärke abhängen. Die Ladungsträger mit dem größeren Ionisationskoeffizient werden in die Multiplikationszone injiziert, um eine optimale und rauscharme Verstärkung zu erzielen (z. B. ist für Silizium αn > αp und für Germanium und Indiumphosphid αn < αp).
Der von der angelegten Sperrspannung UR abhängige Multiplikationsfaktor M ergibt sich unterhalb der Durchbruchspannung UBD näherungsweise wie folgt (I·RS ist der Spannungsabfall über dem Serienwiderstand der Diode):
; mit n < 1 in Abhängigkeit von der Struktur und dem Material der Diode.
Bedingt durch die statistische Natur der Ladungsträgermultiplikation ist der Verstärkungsfaktor nicht konstant und es kommt zusätzlich zum Wärmerauschen (Johnson-Nyquist-Rauschen) zu einem verstärkten Schrotrauschen (engl. ). Dies kann dazu führen, dass sich bei großen Verstärkungen das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert. Das zusätzliche Rauschen (engl. ) wird mit dem Zusatzrauschfaktor F(M) wie folgt angegeben:
,
wobei k das Verhältnis der Ionisationskoeffizienten der Elektronen und Löcher ist (für αn>αp gilt k=αp/αn bzw. für αn<αp ist k=αn/αp). Daraus folgt, dass zur Minimierung des Rauschens der Unterschied der Ionisationskoeffizienten möglichst groß sein sollte. Für Si beträgt k ≈ 0,02 und für Ge und III-V-Verbindungshalbleiter wie InP ist k ≈ 0,5.
Zeitverhalten und Verstärkungs-Bandbreite-Produkt Das Zeitverhalten einer Avalanche-Photodiode wird durch die Driftprozesse im Verarmungsgebiet und den Auf- und Abbau der Ladungsträgerlawine in der Multiplikationszone bestimmt, wodurch APDs langsamer als pin- oder Schottky-Photodioden sind. Die Transit- bzw. Laufzeit der Ladungsträger in der Multiplikationszone bestimmt maßgeblich die Zeitkonstante Mk, welche direkt proportional zur Verstärkung M, und dem Verhältnis der Ionisationskoeffizienten k ist (typische Werte liegen in der Größenordnung von ≈ 1 ps). Das konstante Verstärkungs-Bandbreite-Produkt (, GBP, GBW od. GB) ergibt sich zu:
( ist die Grenzfrequenz, bei der der Strom um 3 dB zurückgeht).
Es lässt sich ein Verstärkungs-Bandbreite-Produkt für Si von ≈200 GHz und für Ge von ≈30 GHz, sowie für InGaAs basierte APDs von > 50 GHz erzielen. Weiterhin ist auch hierbei ein möglichst großer Unterschied der Ionisationskoeffizienten der Ladungsträger von Vorteil sowie eine möglichst schmale Multiplikationszone.
Materialien, Struktur und spektrale Empfindlichkeit VIS-NIR Si- und Ge-APD mini|Schematischer Querschnitt einer Si-APD (1-Metallkontakte, 2-Antireflexschicht aus Siliziumdioxid oder -nitrid) Silizium ist das am häufigsten verwendete Material, da auf Grund des großen Unterschiedes der Ionisationskoeffizienten der Ladungsträger besonders rauscharme Avalanche-Photodioden hergestellt werden können. Die spektrale Empfindlichkeit reicht dabei je nach Ausführung von 300–1000 nm. Die höchste Empfindlichkeit erzielen NIR-Si-APDs (500–1000 nm) mit einer maximalen spektralen Empfindlichkeit bei 800–900 nm. LASER COMPONENTS GmbH (PDF-Datei, 229 kB) Hamamatsu Photonics K.K. 2004 (PDF-Datei, 340 kB) Die für den kurzwelligen Spektralbereich optimierten Typen können bis 300 nm eingesetzt werden (maximale spektralen Empfindlichkeit bei 600 nm), was durch eine nahe der Oberfläche lokalisierte Absorptionszone ermöglicht wird. Dies ist erforderlich, da die Eindringtiefe der Photonen mit abnehmender Wellenlänge sinkt. Andererseits ist durch den Bandabstand Eg die maximal detektierbare Wellenlänge begrenzt, und für die Grenzwellenlänge λg ergibt sich mit:
( ist die Planck-Konstante und die Lichtgeschwindigkeit)
für Si (mit Eg = 1,12 eV bei 300 K) ein Wert von 1100 nm (für λ > λg wird das entsprechende Material transparent).
Für Avalanche-Photodioden im Wellenlängenbereich über 1000 nm, wie sie in der faseroptischen Nachrichtentechnik benötigt werden, kann Germanium verwendet werden. Auf Grund der geringeren Energie der Bandlücke von Eg = 0,67 eV (bei 300 K) wird ein spektraler Empfindlichkeitsbereich von 900–1600 nm erreicht. Nachteilig bei Ge-APDs ist aber der hohe Zusatzrauschfaktor (der Ionisationskoeffizient der Löcher αp ist nur wenig größer als der der Elektronen αn) und der vorhandene hohe Dunkelstrom.
IR-APD mit Heterostruktur aus III-V-Verbindungshalbleitern mini|SAM-Bandstruktur einer InP/GaInAs-APD
Für die Lichtwellenleiter-Übertragungstechnik im 2. und 3. Fenster (1300 bzw. 1550 nm) wurden Avalanche-Photodioden aus III-V-Verbindungshalbleitern entwickelt, die bessere Eigenschaften als Ge-APDs besitzen, aber in der Herstellung bedeutend teurer sind. Geringere Zusatzrauschfaktoren und Dunkelströme werden durch die Kombination von III-V-Verbindungshalbleitern mit unterschiedlichen Bandabständen erreicht, wobei die Hauptvertreter InGaAs/InP-APDs darstellen. In so genannten SAM-Strukturen () wird Indiumgalliumarsenid (InGaAs) als Absorptionszone und Indiumphosphid (InP) als Multiplikationszone verwendet. Typischer Schichtaufbau ist dabei:
p+InP, pInP, nInGaAs, n+InP bzw. p+InP, nInP, n InGaAs, n+InPChanglin Ma: Characterization and modelling of SAGCM InP/InGaAs Avalanche Photodiodes Dissertation SIMON FRASER Univ. 1995, S. 22–44 (PDF-Datei; 5,1 MB).
InP hat bedingt durch seine große Bandlücke von Eg = 1,27 eV (bei 300 K) einen geringeren Dunkelstrom und auf Grund eines günstigeren Verhältnisses der Ionisationskoeffizienten (αn<αp) lässt sich eine rauschärmere Verstärkung als in InGaAs erzielen. Die Löcher dienen hierbei als primäre Ladungsträger und werden von der InGaAs-Absorptionszone in die schwach dotierte nInP- bzw. pInP-Multiplikationszone injiziert. Entscheidend ist, dass die Verhältnisse so gewählt werden, dass die elektrische Feldstärke in der InP-Schicht hoch genug ist zur Ladungsträgervervielfältigung, sowie die InGaAs-Schicht vollständig verarmt ist, aber gleichzeitig gering genug, um in der Absorptionszone Tunnelströme zu vermeiden. Durch Anpassung des Indium- und Gallium-Anteils lässt sich die Bandlücke von Inx-1GaxAs
(bei 300 K)Basic Parameters of Inx-1GaxAs at 300 K NSM data archive from the Ioffe Institute, St. Petersburg zwischen 0,4 und 1,4 eV einstellen.
Für die Absorptionszone wird z. B. In0,53Ga0,47As verwendet, mit einer Bandlücke von Eg = 0,75 eV, womit ein ähnlicher spektraler Empfindlichkeitsbereich wie mit Germanium erreichbar ist (900–1600 nm). Eine Erweiterung dieses Bereiches über 1600 nm (L-Band) konnte durch die Erhöhung des In-Anteils in der Absorptionszone zu In0,83Ga0,17As erzielt werden, wobei bei diesen APDs eine zusätzliche In0,52Al0,48As-Schicht als Multiplikationszone Verwendung findet.Takashi Mikawa, Masahiro Kobayashi, Takao Kaneda: Avalanche photodiodes: present and future. Proceedings of SPIE Band 4532 – Active and Passive Optical Components for WDM Communication, S. 139–145
Bedingt durch die Unstetigkeit der Energiebänder an der Grenze der Heterostruktur entsteht eine Potentialstufe, die zur Akkumulation der Löcher im Valenzband und zu einer Verzögerung im Zeitverhalten und zur Limitierung der Bandbreite der APD führt. Abhilfe schaffen hier so genannte SACM-Strukturen (engl. ), wo zwischen der Absorptions- und Multiplikationszone eine InGaAsP-(Grading)Schicht eingefügt wird, mit einer Bandlücke, die zwischen der von InGaAs und InP (0,75–1,27 eV) liegt. Eine typische Schichtstruktur einer SAGM-APD ist nachD. Haško, J. Kováč, F. Uherek, J. Škriniarová, J. Jakabovič and L. Peternai: DESIGN AND PROPERTIES OF InGaAs/InGaAsP/InP AVALANCHE PHOTODIODE. (PDF-Datei; 480 kB) Journal of ELECTRICAL ENGINEERING, VOL. 58, NO. 3, 2007, 173–176 wie folgt:
p+InP, nInP, n+InGaAsP, nInGaAs, n+InP.
Weiterentwicklungen sind SAGCM-Strukturen (engl. )J.K. Park, I. Yun: Modeling of Avalanche Gain for High-speed InP/InGaAs Avalanche Photodiodes. Electron Devices and Solid-State Circuits, 2008, 1–4 und Superlattice-Avalanche-Photodioden, mit weiter verbesserten Rausch- und Verstärkungseigenschaften.
UV-APD aus (Al)GaN und SiC