애벌랜치 포토다이오드

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1. 개요

애벌랜치 포토다이오드는 1952년 일본의 니시자와 준이치에 의해 발명된 광 검출기이다. 빛을 감지하는 반도체 소자로, 충격 이온화를 통해 작동하며 높은 역 바이어스 전압을 가하여 애벌랜치 효과로 광전류를 증폭한다. 실리콘, 게르마늄, InGaAs, GaN, HgCdTe 등 다양한 반도체 재료를 사용하여 제작되며, 가시광선에서 적외선, 자외선까지 다양한 파장대의 빛을 감지할 수 있다. 성능은 양자 효율, 누설 전류, 잡음 등의 요인에 의해 제한되며, 고이득이 필요한 경우 가이거 모드로 작동하는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD)를 사용하기도 한다.

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애벌랜치 포토다이오드
개요
애벌랜치 포토다이오드의 기호
종류	광검출기
작동 원리	충격 이온화
특징
장점	높은 이득, 빠른 응답 속도
단점	온도에 민감, 높은 바이어스 전압 필요
역사
발명가	니시자와 준이치
발명 시기	1952년
기타	일본 특허 205071호
응용 분야
용도	레이저 거리 측정기 광섬유 통신 양자 암호 핵물리학 의료 영상

2. 역사

애벌랜치 포토다이오드는 1952년 일본 엔지니어 니시자와 준이치가 발명하였다.^[1] 그러나 애벌랜치 항복, 실리콘과 게르마늄의 마이크로 플라즈마 결함에 대한 연구 및 p-n 접합을 사용한 광학적 감지에 대한 조사는 이 특허보다 앞서 이루어졌다.

2. 1. 초기 역사

애벌랜치 포토다이오드는 1952년 일본 엔지니어 니시자와 준이치가 발명하였다.^[1] 그러나 애벌랜치 항복, 실리콘과 게르마늄의 마이크로 플라즈마 결함에 대한 연구 및 p-n 접합을 사용한 광학적 감지에 대한 조사는 이 특허보다 앞서 이루어졌다.

3. 작동 원리

애벌랜치 포토다이오드(APD)는 높은 역 바이어스 전압을 가하여 애벌런치 효과를 통해 광전류를 증폭시키는 원리로 작동한다.

3. 1. 애벌랜치 증폭

일반적으로 포토다이오드는 충격 이온화를 통해 작동하며, 여기서 광자는 반도체 물질 내에서 전하 캐리어를 양전하와 음전하 쌍으로 분리하는 에너지를 제공하여 다이오드를 통해 전하 흐름을 발생시킬 수 있다. 높은 역 바이어스 전압을 가함으로써, 다이오드의 모든 광전 효과는 애벌런치 효과에 의해 증폭될 수 있다. 따라서 APD는 유도된 광전류에 높은 이득 효과를 적용하는 것으로 생각할 수 있다.

일반적으로 역 전압이 높을수록 이득도 높아진다. 표준 실리콘 APD는 일반적으로 항복 전에 100–200 V의 역 바이어스를 견딜 수 있으며, 이로 인해 약 100의 이득 계수가 발생한다. 그러나, 기존의 APD에 비해 대체 도핑 및 베벨링(구조적) 기술을 사용함으로써, 항복에 도달하기 전에 더 높은 전압(> 1500 V)을 가하고 따라서 더 큰 작동 이득(> 1000)을 달성할 수 있는 설계를 만들 수 있다.

APD 증배 인자(''M'')에 대한 다양한 표현 중에서, 유용한 표현은 다음과 같다.

:

M = \frac{1}{1 - \int_0^L\alpha(x)\, dx},

여기서 ''L''은 전자에 대한 공간 전하 경계이고,

\alpha

는 전자(및 정공)에 대한 증배 계수이다. 이 계수는 인가된 전기장 세기, 온도 및 도핑 프로파일에 따라 크게 달라진다. APD 이득은 인가된 역 바이어스와 온도에 따라 크게 변동하므로, 안정적인 이득을 유지하기 위해 역 전압을 면밀히 모니터링해야 한다.

3. 2. 가이거 모드

매우 높은 이득(10⁵ ~ 10⁶)이 필요한 경우, 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD)라고 불리는 APD 관련 검출기를 사용하여 일반적인 APD의 항복 전압 '''이상'''의 역전압으로 작동시킬 수 있다. 이 경우, 광검출기는 신호 전류를 제한하고 빠르게 감소시켜야 한다. 이를 위해 능동 및 수동 전류 소멸 기술이 사용되어 왔다. 이 고이득 영역에서 작동하는 SPAD는 때때로 가이거 모드로 불린다. 이 모드는 암전류 발생률 및 후광 펄스 확률이 충분히 낮을 경우 단일 광자 검출에 특히 유용하다.^[1]

4. 재료

원칙적으로, 모든 반도체 재료는 애벌랜치 포토다이오드의 증폭 영역으로 사용될 수 있다. 주로 사용되는 재료는 다음과 같다:

재료	특징
실리콘(Si)	가시광선 및 근적외선 감지에 사용되며, 증폭 잡음(과잉 잡음)이 낮다.
게르마늄(Ge)	최대 1.7μm 파장의 적외선을 감지하지만, 증폭 잡음이 높다.
InGaAs	1.6μm 이상의 적외선을 감지하며 게르마늄(Ge)보다 증폭 잡음이 적다.
갈륨-질화물(GaN)	자외선을 이용한 작동에 사용된다.
HgCdTe	적외선에서 작동하며, 일반적으로 최대 약 14μm 파장에서 작동하지만, 암전류를 줄이기 위해 냉각이 필요하다. 이 재료 시스템에서 매우 낮은 과잉 잡음을 얻을 수 있다.

4. 1. 실리콘 (Si)

실리콘은 가시광선 및 근적외선에서 감지하며, 증폭 잡음(과잉 잡음)이 낮다.

4. 2. 게르마늄 (Ge)

게르마늄(Ge)은 최대 1.7μm 파장의 적외선을 감지하지만, 증폭 잡음이 높은 편이다.^[2]

4. 3. 인듐 갈륨 비소 (InGaAs)

InGaAs는 1.6 μm 이상까지 감지하며 게르마늄(Ge)보다 증폭 잡음이 적다. 일반적으로 이종 구조 다이오드의 흡수 영역으로 사용되며, 대부분 InP를 기판 및 증폭 층으로 사용한다.^[2] 이 재료 시스템은 대략 0.9–1.7 μm의 흡수 창과 호환된다. InGaAs는 광섬유를 사용하는 고속 통신에 적합한 파장에서 높은 흡수 계수를 나타내므로, 거의 100%의 빛 흡수를 위해 불과 수 마이크로미터의 InGaAs만 필요하다.^[2] 과잉 잡음 계수는 간단한 InP/InGaAs 시스템의 경우 100 GHz 이상, 실리콘 기반 InGaAs의 경우 최대 400 GHz의 이득-대역폭 곱을 허용할 정도로 낮다.^[3]^[4] 따라서 고속 작동이 가능하며, 상용 장치는 최소 10 Gbit/s의 속도로 제공된다.^[5]

4. 4. 질화 갈륨 (GaN)

질화 갈륨 기반 다이오드는 자외선을 이용한 작동에 사용된다.

4. 5. 수은 카드뮴 텔루라이드 (HgCdTe)

HgCdTe 기반 다이오드는 적외선에서 작동하며, 일반적으로 최대 약 14μm 파장에서 작동하지만, 암전류를 줄이기 위해 냉각이 필요하다. 이 재료 시스템에서 매우 낮은 과잉 잡음을 얻을 수 있다.^[4]

5. 구조

APD는 단순한 p-n 접합으로 구성되는 경우는 드물며, p+-i-p-n+와 같은 더 복잡한 설계를 갖는 경우가 많다.^[6]

6. 성능 한계

애벌랜치 포토다이오드(APD)의 성능은 여러 요인에 의해 제한된다. 주요 성능 제한 요소는 다음과 같다.

'''양자 효율''': 입사 광자가 얼마나 잘 흡수되어 1차 전하 운반체를 생성하는지를 나타내는 지표이다.
'''총 누설 전류''': 암전류, 광전류 및 잡음의 합으로, APD의 성능을 저하시키는 주요 요인이다.
'''잡음''': 전자 암잡음은 직렬 잡음과 병렬 잡음으로 구성된다. 직렬 잡음은 샷 노이즈의 영향으로 APD 커패시턴스에 비례하고, 병렬 잡음은 APD 벌크 및 표면 암전류의 변동과 관련이 있다.^[2]

6. 1. 양자 효율

APD의 적용 가능성과 유용성은 많은 매개변수에 따라 달라진다. 가장 큰 두 가지 요소는 입사 광자가 얼마나 잘 흡수되어 1차 전하 운반체를 생성하는 데 사용되는지를 나타내는 양자 효율과 암전류, 광전류 및 잡음의 합인 총 누설 전류이다. 전자 암잡음 구성 요소는 직렬 잡음과 병렬 잡음이다. 샷 노이즈의 영향인 직렬 잡음은 기본적으로 APD 커패시턴스에 비례하는 반면, 병렬 잡음은 APD 벌크 및 표면 암전류의 변동과 관련이 있다.

6. 2. 누설 전류

APD의 적용 가능성과 유용성은 많은 매개변수에 따라 달라진다. 가장 큰 두 가지 요소는 입사 광자가 얼마나 잘 흡수되어 1차 전하 운반체를 생성하는 데 사용되는지를 나타내는 양자 효율과 암전류, 광전류 및 잡음의 합인 총 누설 전류이다. 전자 암잡음 구성 요소는 직렬 잡음과 병렬 잡음이다. 샷 노이즈의 영향인 직렬 잡음은 기본적으로 APD 커패시턴스에 비례하는 반면, 병렬 잡음은 APD 벌크 및 표면 암전류의 변동과 관련이 있다.

6. 3. 잡음

일반적으로 포토다이오드는 충격 이온화를 통해 작동하며, 높은 역 바이어스 전압을 가하면 애벌런치 효과에 의해 광전 효과가 증폭된다. APD(애벌랜치 포토다이오드)는 유도된 광전류에 높은 이득 효과를 적용한다. 역 전압이 높을수록 이득도 높아진다.

APD 증배 인자(''M'')는 다음과 같이 표현할 수 있다.

:

M = \frac{1}{1 - \int_0^L\alpha(x)\, dx},

여기서 ''L''은 전자에 대한 공간 전하 경계이고,

\alpha

는 전자(및 정공)에 대한 증배 계수이다. APD 이득은 인가된 역 바이어스와 온도에 따라 크게 변동하므로, 안정적인 이득을 유지하기 위해 역 전압을 면밀히 모니터링해야 한다.

APD의 유용성은 여러 매개변수에 따라 달라지는데, 그 중 양자 효율과 총 누설 전류가 중요하다. 총 누설 전류는 암전류, 광전류 및 잡음의 합이다. 전자 암잡음은 직렬 잡음과 병렬 잡음으로 나뉜다. 직렬 잡음은 샷 노이즈의 영향으로 APD 커패시턴스에 비례하고, 병렬 잡음은 APD 벌크 및 표면 암전류의 변동과 관련이 있다.

초과 잡음 인자(ENF, Excess noise factor)는 통계적 잡음, 특히 푸아송 잡음이 곱셈 과정으로 인해 증가하는 것을 설명하는 곱셈 보정이다. ENF는 광전자 증배관, 실리콘 고체 광전자 증배관 및 APD와 같은 신호 증폭 장치에 대해 정의되며, "이득 잡음"이라고도 한다. 이득 ''M''에서 ENF(''M'')은 다음과 같이 표현된다.

:

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

여기서

\kappa

는 홀 충돌 이온화율과 전자의 비율이다. ENF(''M'')을 최소화하려면 이 비율 간의 큰 비대칭성을 갖는 것이 바람직하다. ENF(''M'')은 에너지 분해능을 제한하는 주요 요인 중 하나이다.

APD의 잡음 항에는 파노 인자도 포함될 수 있는데, 이는 전하를 띤 입자가 전자-정공 쌍으로 전이하는 과정과 관련된 푸아송 잡음에 적용되는 곱셈 보정값이다. 이 보정 인자는 변환 과정의 균일성과 변환 과정에서 목욕 상태의 부재 또는 약한 결합으로 인해 푸아송 통계에 비해 잡음이 감소하는 것을 설명한다.

6. 4. 기타 영향

일반적으로 역 전압이 높을수록 이득이 높아진다. 표준 실리콘 APD는 항복 전에 100–200V의 역 바이어스를 견디며, 약 100의 이득 계수를 가진다. 대체 도핑 및 베벨링(구조적) 기술을 사용하면, 항복 전에 더 높은 전압(> 1500V)을 가하고 더 큰 작동 이득(> 1000)을 얻을 수 있다.^[2]

APD 증배 인자(''M'')는 다음과 같이 표현할 수 있다.

:

M = \frac{1}{1 - \int_0^L\alpha(x)\, dx},

여기서 ''L''은 전자에 대한 공간 전하 경계이고,

\alpha

는 전자(및 정공)에 대한 증배 계수이다. 이 계수는 인가된 전기장 세기, 온도 및 도핑 프로파일에 따라 크게 달라진다. APD 이득은 인가된 역 바이어스와 온도에 따라 크게 변동하므로, 안정적인 이득을 유지하기 위해 역 전압을 면밀히 모니터링해야 한다.^[2]

APD의 유용성은 양자 효율, 총 누설 전류, 잡음 등 여러 매개변수에 따라 달라진다. 특히 암전류, 광전류 및 잡음의 합인 총 누설 전류가 중요하다. 전자 암잡음 구성 요소는 직렬 잡음과 병렬 잡음으로 나뉜다. 샷 노이즈의 영향인 직렬 잡음은 APD 커패시턴스에 비례하고, 병렬 잡음은 APD 벌크 및 표면 암전류의 변동과 관련이 있다.^[2]

초과 잡음 인자(ENF, Excess noise factor)는 통계적 잡음, 특히 푸아송 잡음이 곱셈 과정으로 인해 증가하는 것을 설명한다. 광전자 증배관, 실리콘 고체 광전자 증배관 및 APD와 같은 증폭 장치에 대해 정의되며, "이득 잡음"이라고도 한다. 이득 ''M''에서 ENF(''M'')은 다음과 같이 표현된다.

:

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

여기서

\kappa

는 홀 충돌 이온화율과 전자의 비율이다. 전자 증폭 장치의 경우 홀 충돌 이온화율을 전자 충돌 이온화율로 나눈 값이다. ENF(''M'')을 최소화하려면 이러한 비율 간의 큰 비대칭성을 갖는 것이 바람직하다. ENF(''M'')은 얻을 수 있는 최상의 에너지 분해능을 제한하는 주요 요인 중 하나이다.^[2]

APD의 잡음 항에는 파노 인자도 포함될 수 있다. 이는 전하를 띤 입자가 증폭 전에 전자-정공 쌍으로 전이하는 과정과 관련된 푸아송 잡음에 적용되는 곱셈 보정값이다. 이 보정 인자는 변환 과정의 균일성과 변환 과정에서 목욕 상태의 부재 또는 약한 결합으로 인해 푸아송 통계에 비해 잡음의 감소를 설명한다.^[2]

과잉 잡음 인자(이득 잡음) 및 파노 인자(변환 잡음)는 그 기본 물리학이 매우 다르지만, 예상되는 푸아송 잡음에 곱셈 보정으로 적용하는 것은 유사하다. 과잉 잡음 외에도, 커패시턴스, 이동 시간 및 애벌랜치 증폭 시간과 관련된 장치 성능의 제한이 있다.^[2] 커패시턴스는 장치 면적이 증가하고 두께가 감소함에 따라 증가한다. 이동 시간(전자 및 정공 모두)은 두께가 증가함에 따라 증가한다. 애벌랜치 증폭 시간에 이득을 곱한 값은 이득-대역폭 곱으로 주어지며, 이는 장치 구조, 특히

\kappa\,

의 함수이다.^[2]

7. 응용 분야

애벌랜치 포토다이오드(APD)는 다양한 분야에서 활용되고 있다. 대표적인 응용 분야는 다음과 같다.

레이저 거리 측정기: APD는 빛이 목표물에 도달했다가 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 레이저 거리 측정기에 사용된다.
광통신: APD는 광섬유를 통해 데이터를 전송하는 광통신 시스템에서 광 신호를 수신하는 데 사용된다. 특히, 신호가 약한 장거리 통신이나 고속 데이터 전송에 유용하다.
의료 영상: APD는 양전자 방출 단층 촬영(PET)과 같은 의료 영상 장비에서 방사선 신호를 감지하는 데 사용된다.
입자 물리학: APD는 고에너지 입자 검출기에서 섬광 신호를 증폭하는 데 사용된다.
군사: 야시경, 유도 미사일 시스템

참조

_[1] 웹사이트 Jun-ichi Nishizawa – Engineer, Sophia University Special Professor – JAPAN QUALITY REVIEW https://web.archive.[...] 2017-05-15
_[2] 서적 Semiconductors and Semimetals Academic Press
_[3] 논문 Planar InP/GaAs Avalanche Photodetector with Gain-Bandwidth Product in Excess of 100 GHz
_[4] 서적 Optoelectronic Integrated Circuits
_[5] 논문 Recent advances in Telecommunications Avalanche Photodiodes https://zenodo.org/r[...]
_[6] 웹사이트 Avalanche Photodiode : Construction, Working & Its Applications https://www.elprocus[...] 2021-11-25
_[7] 웹인용 Jun-ichi Nishizawa – Engineer, Sophia University Special Professor – JAPAN QUALITY REVIEW https://web.archive.[...] 2017-05-15

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