Zasada i obecna sytuacjafotodetektor lawinowy (Fotodetektor APD) Część druga
Struktura chipa 2.2 APD
Rozsądna konstrukcja chipa jest podstawową gwarancją urządzeń o wysokiej wydajności. Projekt strukturalny APD uwzględnia głównie stałą czasową RC, wychwytywanie dziur w heterozłączu, czas przejścia nośnika przez obszar wyczerpania i tak dalej. Poniżej podsumowano rozwój jego struktury:
(1) Podstawowa struktura
Najprostsza struktura APD opiera się na fotodiodzie PIN, region P i region N są silnie domieszkowane, a region podwójnie odstraszający typu N lub typu P jest wprowadzony do sąsiedniego obszaru P lub obszaru N w celu wygenerowania wtórnych elektronów i dziury pary, aby zrealizować wzmocnienie pierwotnego fotoprądu. W przypadku materiałów serii InP, ponieważ współczynnik jonizacji uderzenia dziury jest większy niż współczynnik jonizacji uderzenia elektronu, obszar wzmocnienia domieszkowania typu N jest zwykle umieszczany w obszarze P. W idealnej sytuacji w obszarze wzmocnienia wtryskiwane są tylko dziury, dlatego strukturę tę nazywa się strukturą z wtryskiwanymi otworami.
(2) Rozróżnia się absorpcję i wzmocnienie
Ze względu na charakterystykę InP o szerokiej przerwie energetycznej (InP wynosi 1,35 eV, a InGaAs wynosi 0,75 eV), InP jest zwykle używany jako materiał strefy wzmocnienia, a InGaAs jako materiał strefy absorpcji.
(3) Zaproponowano odpowiednio struktury absorpcji, gradientu i wzmocnienia (SAGM).
Obecnie większość komercyjnych urządzeń APD wykorzystuje materiał InP/InGaAs, InGaAs jako warstwę absorpcyjną, InP w silnym polu elektrycznym (>5x105V/cm) bez przebicia, może być stosowany jako materiał strefy wzmocnienia. W przypadku tego materiału konstrukcja tego APD polega na tym, że proces lawinowy powstaje w InP typu N w wyniku zderzenia dziur. Biorąc pod uwagę dużą różnicę w pasmie wzbronionym pomiędzy InP i InGaAs, różnica poziomów energii wynosząca około 0,4 eV w paśmie walencyjnym powoduje, że dziury powstałe w warstwie absorpcyjnej InGaAs zatykają się na krawędzi heterozłącza przed dotarciem do warstwy mnożnika InP, a prędkość jest znacznie zmniejszona, co skutkuje długim czasem reakcji i wąską przepustowością tego APD. Problem ten można rozwiązać dodając warstwę przejściową InGaAsP pomiędzy obydwoma materiałami.
(4) Zaproponowano odpowiednio struktury absorpcji, gradientu, ładunku i wzmocnienia (SAGCM).
Aby jeszcze bardziej dostosować rozkład pola elektrycznego warstwy absorpcyjnej i warstwy wzmacniającej, do konstrukcji urządzenia wprowadza się warstwę ładunku, co znacznie poprawia szybkość i responsywność urządzenia.
(5) Wzmocniona rezonatorem (RCE) struktura SAGCM
W powyższym optymalnym projekcie tradycyjnych detektorów musimy zmierzyć się z faktem, że grubość warstwy absorpcyjnej jest czynnikiem sprzecznym z szybkością urządzenia i wydajnością kwantową. Mała grubość warstwy pochłaniającej może skrócić czas przejścia nośnika, dzięki czemu można uzyskać dużą szerokość pasma. Jednocześnie jednak, aby uzyskać wyższą wydajność kwantową, warstwa absorpcyjna musi mieć odpowiednią grubość. Rozwiązaniem tego problemu może być konstrukcja wnęki rezonansowej (RCE), czyli rozproszony reflektor Bragga (DBR) zaprojektowano w dolnej i górnej części urządzenia. Lustro DBR składa się z dwóch rodzajów materiałów o niskim współczynniku załamania światła i wysokim współczynniku załamania światła w strukturze, a oba rosną naprzemiennie, a grubość każdej warstwy odpowiada długości fali światła padającego 1/4 w półprzewodniku. Struktura rezonatora detektora może spełniać wymagania dotyczące prędkości, grubość warstwy absorpcyjnej może być bardzo cienka, a wydajność kwantowa elektronu wzrasta po kilku odbiciach.
(6) Struktura falowodu ze sprzężeniem krawędziowym (WG-APD)
Innym rozwiązaniem sprzeczności różnych wpływów grubości warstwy absorpcyjnej na prędkość urządzenia i wydajność kwantową jest wprowadzenie struktury falowodu ze sprzężeniem krawędziowym. Struktura ta przechodzi światło z boku, ponieważ warstwa absorpcyjna jest bardzo długa, łatwo jest uzyskać wysoką wydajność kwantową, a jednocześnie warstwę absorpcyjną można wykonać bardzo cienką, co skraca czas przejścia nośnika. Dlatego ta struktura rozwiązuje różną zależność szerokości pasma i wydajności od grubości warstwy absorpcyjnej i oczekuje się, że umożliwi osiągnięcie dużej szybkości i wysokiej wydajności kwantowej APD. Proces WG-APD jest prostszy niż RCE APD, co eliminuje skomplikowany proces przygotowania lustra DBR. Dlatego jest to bardziej wykonalne w praktyce i odpowiednie dla połączenia optycznego w płaszczyźnie wspólnej.
3. Wniosek
Rozwój lawinyfotodetektordokonuje się przeglądu materiałów i urządzeń. Szybkość jonizacji zderzeń elektronów i dziur w materiałach InP jest zbliżona do szybkości jonizacji InAlAs, co prowadzi do podwójnego procesu dwóch symbionów nośników, co wydłuża czas budowania lawiny i zwiększa hałas. W porównaniu do czystych materiałów InAlAs, struktury studni kwantowych InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs mają zwiększony stosunek współczynników jonizacji kolizyjnej, dzięki czemu można znacznie zmienić parametry szumu. Jeśli chodzi o strukturę, opracowano wzmocnioną rezonatorem (RCE) strukturę SAGCM i strukturę falowodu ze sprzężeniem krawędziowym (WG-APD) w celu rozwiązania sprzeczności związanych z różnym wpływem grubości warstwy absorpcyjnej na prędkość urządzenia i wydajność kwantową. Ze względu na złożoność procesu należy dokładniej zbadać pełne praktyczne zastosowanie tych dwóch struktur.
Czas publikacji: 14 listopada 2023 r