Zasada i obecna sytuacjafotodetektor lawinowy (Fotodetektor APD) Część druga
2.2 Struktura układu APD
Rozsądna struktura chipa to podstawowa gwarancja urządzeń o wysokiej wydajności. Projekt strukturalny APD uwzględnia głównie stałą czasową RC, wychwytywanie dziur w heterozłączu, czas przejścia nośników przez obszar zubożony itd. Rozwój jego struktury podsumowano poniżej:
(1) Podstawowa struktura
Najprostsza struktura APD opiera się na fotodiodzie PIN, gdzie obszary P i N są silnie domieszkowane, a obszar podwójnie odpychający typu N lub P jest wprowadzany w sąsiedni obszar P lub N, aby generować wtórne elektrony i pary dziur, realizując wzmocnienie pierwotnego fotoprądu. W przypadku materiałów serii InP, ponieważ współczynnik jonizacji uderzeniowej dziur jest większy niż współczynnik jonizacji uderzeniowej elektronów, obszar wzmocnienia domieszkowania typu N jest zazwyczaj umieszczany w obszarze P. W idealnej sytuacji do obszaru wzmocnienia wstrzykiwane są tylko dziury, dlatego taką strukturę nazywa się 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 zwykle 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 jest warstwą absorpcyjną, a InP w warunkach wysokiego pola elektrycznego (>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 poprzez zderzenie dziur. Biorąc pod uwagę dużą różnicę w przerwie energetycznej między InP i InGaAs, różnica poziomów energetycznych wynosząca około 0,4 eV w paśmie walencyjnym powoduje, że dziury generowane w warstwie absorpcyjnej InGaAs są blokowane na krawędzi heterozłącza przed dotarciem do warstwy mnożnika InP, a prędkość jest znacznie zmniejszona, co skutkuje długim czasem reakcji i wąskim pasmem tego APD. Problem ten można rozwiązać, dodając warstwę przejściową InGaAsP między oba materiały.
(4) Zaproponowano odpowiednio struktury absorpcji, gradientu, ładunku i wzmocnienia (SAGCM)
Aby jeszcze lepiej 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 wzmocniona rezonatorem (RCE)
W przypadku powyższej optymalnej konstrukcji tradycyjnych detektorów, musimy zmierzyć się z faktem, że grubość warstwy absorpcyjnej jest czynnikiem sprzecznym z szybkością urządzenia i wydajnością kwantową. Mała grubość warstwy absorpcyjnej może skrócić czas przejścia nośników, co pozwala uzyskać dużą szerokość pasma. Jednocześnie jednak, aby uzyskać wyższą wydajność kwantową, warstwa absorpcyjna musi mieć odpowiednią grubość. Rozwiązaniem tego problemu może być struktura wnęki rezonansowej (RCE), czyli rozproszony reflektor Bragga (DBR) zaprojektowany na dole i na górze urządzenia. Zwierciadło DBR składa się z dwóch rodzajów materiałów o niskim i wysokim współczynniku załamania światła, które rosną naprzemiennie, a grubość każdej warstwy odpowiada długości fali padającego światła 1/4 w półprzewodniku. Struktura rezonansowa detektora może spełnić wymagania dotyczące szybkości, grubość warstwy absorpcyjnej może być bardzo mała, a wydajność kwantowa elektronu wzrasta po kilku odbiciach.
(6) Struktura falowodu sprzężonego krawędziowo (WG-APD)
Innym rozwiązaniem problemu sprzeczności wynikającej z różnego wpływu grubości warstwy absorpcyjnej na szybkość i wydajność kwantową urządzenia jest wprowadzenie struktury falowodu sprzężonego krawędziowo. Struktura ta przepuszcza światło z boku, co – ze względu na jej dużą długość – ułatwia uzyskanie wysokiej wydajności kwantowej, a jednocześnie pozwala na uzyskanie bardzo cienkiej warstwy absorpcyjnej, co skraca czas przejścia nośnej. Struktura ta rozwiązuje problem zależności szerokości pasma i wydajności od grubości warstwy absorpcyjnej, co pozwala na osiągnięcie wysokiej szybkości i wydajności kwantowej APD. Proces WG-APD jest prostszy niż proces RCE APD, co eliminuje skomplikowany proces przygotowania zwierciadła DBR. W związku z tym jest on bardziej praktyczny i nadaje się do połączeń optycznych we wspólnej płaszczyźnie.
3. Wnioski
Rozwój lawinyfotodetektorPrzegląd materiałów i urządzeń. Szybkości jonizacji kolizyjnej elektronów i dziur w materiałach InP są zbliżone do szybkości InAlAs, co prowadzi do podwójnego procesu dwóch symbionów nośników, co wydłuża czas narastania lawiny i zwiększa szum. W porównaniu z czystymi materiałami InAlAs, struktury studni kwantowych InGaAs(P)/InAlAs i In(Al)GaAs/InAlAs charakteryzują się zwiększonym współczynnikiem współczynników jonizacji kolizyjnej, co pozwala na znaczną zmianę charakterystyki szumu. Pod względem strukturalnym, opracowano strukturę SAGCM z rezonatorem (RCE) oraz strukturę falowodu sprzężonego krawędziowo (WG-APD), aby rozwiązać sprzeczności wynikające z różnego wpływu grubości warstwy absorpcyjnej na szybkość urządzenia i wydajność kwantową. Ze względu na złożoność procesu, pełne praktyczne zastosowanie tych dwóch struktur wymaga dalszych badań.
Czas publikacji: 14-11-2023