Zasada i obecna sytuacjafotodetektor lawinowy (Fotodetektor APD) Część druga
2.2 Struktura układu scalonego APD
Rozsądna struktura chipa jest podstawową gwarancją urządzeń o wysokiej wydajności. Projekt strukturalny APD bierze pod uwagę głównie stałą czasową RC, przechwytywanie dziur w heterozłączu, czas przejścia nośnika przez obszar zubożenia itd. Rozwój jego struktury podsumowano poniżej:
(1) Podstawowa struktura
Najprostsza struktura APD opiera się na fotodiodzie PIN, region P i region N są silnie domieszkowane, a region podwójnie odpychający typu N lub typu P jest wprowadzany w sąsiednim regionie P lub regionie N w celu generowania wtórnych elektronów i par dziur, aby zrealizować wzmocnienie pierwotnego fotoprądu. W przypadku materiałów serii InP, ponieważ współczynnik jonizacji uderzenia dziur jest większy niż współczynnik jonizacji uderzenia elektronów, region wzmocnienia domieszkowania typu N jest zwykle umieszczany w regionie P. W idealnej sytuacji do regionu wzmocnienia wstrzykiwane są tylko dziury, więc ta struktura jest nazywana strukturą wstrzykiwaną dziurami.
(2) Rozróżnia się absorpcję i zysk
Ze względu na szeroką przerwę energetyczną InP (InP wynosi 1,35 eV, a InGaAs 0,75 eV), InP jest zazwyczaj stosowany jako materiał strefy wzmocnienia, a InGaAs jako materiał strefy absorpcyjnej.
(3) Zaproponowano odpowiednio struktury absorpcji, gradientu i wzmocnienia (SAGM)
Obecnie większość komercyjnych urządzeń APD wykorzystuje materiał InP/InGaAs, InGaAs jako warstwę absorpcyjną, InP pod wysokim polem elektrycznym (>5x105V/cm) bez przebicia, może być używany jako materiał strefy wzmocnienia. W przypadku tego materiału konstrukcja tego APD polega na tym, że proces lawinowy powstaje w InP typu N poprzez zderzenie dziur. Biorąc pod uwagę dużą różnicę w przerwie energetycznej między InP i InGaAs, różnica poziomów energii wynosząca około 0,4eV w paśmie walencyjnym sprawia, że dziury generowane w warstwie absorpcyjnej InGaAs są blokowane na krawędzi heterozłącza przed osiągnięciem warstwy mnożnika InP, a prędkość jest znacznie zmniejszona, co skutkuje długim czasem reakcji i wąską szerokością pasma tego APD. Ten problem można rozwiązać, dodając warstwę przejściową InGaAsP między dwoma materiałami.
(4) Zaproponowano odpowiednio struktury absorpcji, gradientu, ładunku i wzmocnienia (SAGCM)
Aby jeszcze bardziej dostosować rozkład pola elektrycznego warstwy absorpcyjnej i warstwy wzmocnienia, do konstrukcji urządzenia wprowadza się warstwę ładunku, co znacznie poprawia szybkość i responsywność urządzenia.
(5) Struktura SAGCM z ulepszonym rezonatorem (RCE)
W powyższym optymalnym projekcie tradycyjnych detektorów musimy zmierzyć się z faktem, że grubość warstwy absorpcyjnej jest czynnikiem sprzecznym dla szybkości urządzenia i wydajności kwantowej. Mała grubość warstwy absorbującej może skrócić czas przejścia nośnika, dzięki czemu można uzyskać dużą szerokość pasma. Jednak jednocześnie, aby uzyskać wyższą wydajność kwantową, warstwa absorpcyjna musi mieć wystarczającą grubość. Rozwiązaniem tego problemu może być struktura wnęki rezonansowej (RCE), czyli rozproszony reflektor Bragga (DBR) jest zaprojektowany na dole i na górze urządzenia. Lustro DBR składa się z dwóch rodzajów materiałów o niskim współczynniku załamania i wysokim współczynniku załamania w strukturze, a oba rosną naprzemiennie, a grubość każdej warstwy spełnia długość 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 sprzężonego krawędziowo (WG-APD)
Innym rozwiązaniem sprzeczności różnych efektów grubości warstwy absorpcyjnej na prędkość urządzenia i wydajność kwantową jest wprowadzenie struktury falowodu sprzężonego krawędziowo. Ta struktura wchodzi do światła z boku, ponieważ warstwa absorpcyjna jest bardzo długa, łatwo uzyskać wysoką wydajność kwantową, a jednocześnie warstwa absorpcyjna może być bardzo cienka, co zmniejsza czas przejścia nośnika. Dlatego ta struktura rozwiązuje różną zależność szerokości pasma i wydajności od grubości warstwy absorpcyjnej i oczekuje się, że osiągnie wysoką szybkość i wysoką wydajność kwantową APD. Proces WG-APD jest prostszy niż proces RCE APD, co eliminuje skomplikowany proces przygotowania lustra DBR. Dlatego jest bardziej wykonalny w praktyce i nadaje się do połączenia optycznego wspólnej płaszczyzny.
3. Wnioski
Rozwój lawinyfotodetektormateriały i urządzenia są recenzowane. Szybkości jonizacji kolizyjnej elektronów i dziur materiałów InP są zbliżone do szybkości InAlAs, co prowadzi do podwójnego procesu dwóch symbionów nośników, co wydłuża czas narastania lawiny i zwiększa szum. W porównaniu do czystych materiałów InAlAs, struktury studni kwantowych InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs mają zwiększony współczynnik współczynników jonizacji kolizyjnej, więc wydajność szumu może ulec znacznej zmianie. Pod względem struktury opracowano strukturę SAGCM z ulepszonym rezonatorem (RCE) i strukturę falowodu sprzężonego krawędziowo (WG-APD), aby rozwiązać sprzeczności różnych efektów grubości warstwy absorpcyjnej na szybkość urządzenia i wydajność kwantową. Ze względu na złożoność procesu pełne praktyczne zastosowanie tych dwóch struktur musi zostać dalej zbadane.
Czas publikacji: 14-11-2023