アバランシェフォトダイオード

アバランシェフォトダイオード( APD ) は、高感度タイプのフォトダイオードで、一般的にはバンド間励起と衝突イオン化によって光を電気に変換する半導体 ダイオードです。APD は、逆ブレークダウン電圧に近い高い逆バイアスで動作するように最適化された材料と構造を使用しているため、光電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、比較的少量の光を検出するために使用できます。

機能的な観点からは、 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 の一般的な用途は、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、および粒子物理学です。

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。

フォトダイオードは一般に衝撃イオン化によって動作します。これにより、光子がエネルギーを提供して半導体材料内の電荷キャリアを正と負のペアに分離し、ダイオードを通る電荷の流れを引き起こします。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がアバランシェ効果によって増幅されます。したがって、APD は誘導された光電流に 高ゲイン効果を適用するもの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、通常、ブレークダウン前に 100～200 V の逆バイアスに耐えることができ、ゲイン係数は約 100 になります。ただし、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 (> 1500 V) を印加できる設計を作成でき、その結果、より高い動作ゲイン (> 1000) が実現されます。

APD乗算係数（M）の様々な表現の中で、次の式が参考になる。

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

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 プロファイルに大きく依存します。APD ゲインは印加逆バイアスと温度によって大きく変化するため、安定したゲインを維持するには逆電圧を厳密に監視する必要があります。 ${\displaystyle \alpha}$

非常に高いゲインが必要な場合（10 ⁵～ 10 ⁶）、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、急速に減少させる必要があります。この目的のために、アクティブおよびパッシブの電流抑制技術が使用されています。この高ゲイン状態で動作する 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 レートとアフターパルス確率が十分に低い場合、シングル フォトン検出に特に役立ちます。

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 よりも増倍ノイズが少ない。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が基板および増倍層として使用される。^[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、ほぼ 100% の光吸収には数マイクロメートルのInGaAsしか必要ではない。 ^[2]過剰ノイズ係数は十分に低いため、単純な InP/InGaAs システムでは 100 GHz を超えるゲイン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]したがって、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で動作し、通常は波長が約 14 μm までですが、暗電流を減らすために冷却が必要です。この材料システムでは、過剰ノイズを非常に低く抑えることができます。

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]

APD の適用性と有用性は、多くのパラメータに依存します。大きな要因の 2 つは、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使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漏れ電流です。電子暗ノイズ成分には、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、基本的に APD の静電容量に比例しますが、並列ノイズは APD のバルクおよび表面暗電流の変動に関連します。

もう 1 つのノイズ源は、過剰ノイズ係数 ENF です。これは、ノイズに適用される乗法補正であり、乗算プロセスによる統計ノイズ、特にポアソン ノイズの増加を表します。ENF は、信号を乗算する光電子増倍管、シリコン固体光電子増倍管、APD などの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、次のように表現されることがよくあります。

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

ここで、は正孔衝撃イオン化率と電子衝撃イオン化率の比です。電子増倍装置の場合、これは正孔衝撃イオン化率を電子衝撃イオン化率で割った値で表されます。ENF( M ) は、とりわけ、得られる最高のエネルギー分解能を制限する主な要因の 1 つであるため、ENF( M ) を最小限に抑えるには、これらの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。 ${\displaystyle \kappa}$

APD のノイズ項には、ファノ係数も含まれる場合があります。これは、荷電粒子によって蓄積されたエネルギーを電子正孔対 (増倍前の信号) に変換することに関連するポアソン 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への弱い結合による、ポアソン統計に対するノイズの減少を表します。言い換えると、「理想的な」半導体は、エネルギーを保存するために、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。ただし、実際には、荷電粒子によって蓄積されたエネルギーは、電子正孔対の生成、音の生成、熱の生成、および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、蓄積されたエネルギーの量が同じであっても、単一のプロセスに蓄積されたエネルギーの量がイベントごとに変化する確率過程が導入されます。

過剰雑音係数（ゲイン雑音）とファノ係数（変換雑音）に関連する基礎となる物理現象は非常に異なります。ただし、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、通過時間、アバランシェ増倍時間に関連するデバイス性能の制限があります。^[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。通過時間（電子と正孔の両方）は厚さの増加に伴って増加するため、性能と静電容量と通過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、ゲイン帯域幅積によって一次的に決まります。これは、デバイス構造、特に の関数です。 ${\displaystyle \kappa \,}$

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• アバランシェフォトダイオード – ユーザーガイド [1]
• アバランシェフォトダイオード - 低ノイズAPD受信機 [2]
• 香川 誠 (1981). 「完全イオン注入p+-nゲルマニウムアバランシェフォトダイオード」.応用物理学レター. 38 (6): 429–431.書誌コード:1981ApPhL..38..429K. doi :10.1063/1.92385.グー
• Hyun, Kyung-Sook; Park, Chan-Yong (1997). 「ピン増倍層構造を持つ InP/InGaAs アバランシェフォトダイオードの破壊特性」Journal of Applied Physics . 81 (2): 974. Bibcode :1997JAP....81..974H. doi :10.1063/1.364225.
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