Princíp a súčasná situácialavínový fotodetektor (APD fotodetektor) Druhá časť
2.2 Štruktúra čipu APD
Rozumná štruktúra čipu je základnou zárukou vysokovýkonných zariadení. Štrukturálny návrh APD zohľadňuje najmä časovú konštantu RC, záchyt dier na heteroprechode, čas prechodu nosičov náboja cez oblasť ochudobnenia atď. Vývoj jeho štruktúry je zhrnutý nižšie:
(1) Základná štruktúra
Najjednoduchšia štruktúra APD je založená na PIN fotodióde, kde oblasti P a N sú silne dopované a do susednej oblasti P alebo N je zavedená dvojito odpudzujúca oblasť typu N alebo typu P na generovanie sekundárnych elektrónov a párov dier, čím sa dosiahne zosilnenie primárneho fotoprúdu. V prípade materiálov série InP je koeficient ionizácie dier väčší ako koeficient ionizácie elektrónov, preto je oblasť zosilnenia dopovania typu N zvyčajne umiestnená v oblasti P. V ideálnom prípade sa do oblasti zosilnenia vstrekujú iba diery, preto sa táto štruktúra nazýva štruktúra s vstrekovaním dier.
(2) Rozlišuje sa absorpcia a zisk
Vzhľadom na charakteristiky širokej pásmovej medzery InP (InP je 1,35 eV a InGaAs je 0,75 eV) sa InP zvyčajne používa ako materiál zosilňovacej zóny a InGaAs ako materiál absorpčnej zóny.
(3) Navrhujú sa štruktúry absorpcie, gradientu a zisku (SAGM) v uvedenom poradí.
V súčasnosti väčšina komerčných APD zariadení používa materiál InP/InGaAs ako absorpčnú vrstvu. InP sa môže použiť ako materiál zosilňovacej zóny pod silným elektrickým poľom (> 5x105V/cm) bez prierazu. Pri tomto materiáli je konštrukcia APD založená na tom, že lavínový proces sa vytvára v InP typu N kolíziou dier. Vzhľadom na veľký rozdiel v pásmovej medzere medzi InP a InGaAs, rozdiel energetických hladín vo valenčnom pásme približne 0,4 eV spôsobuje, že diery generované v absorpčnej vrstve InGaAs sú blokované na hrane heterojunkcie pred dosiahnutím multiplikačnej vrstvy InP a rýchlosť je výrazne znížená, čo má za následok dlhý čas odozvy a úzku šírku pásma tohto APD. Tento problém možno vyriešiť pridaním prechodovej vrstvy InGaAsP medzi tieto dva materiály.
(4) Navrhujú sa štruktúry absorpcie, gradientu, náboja a zisku (SAGCM) v uvedenom poradí.
Aby sa ďalej upravilo rozloženie elektrického poľa absorpčnej vrstvy a zosilňovacej vrstvy, do konštrukcie zariadenia sa zavádza nábojová vrstva, čo výrazne zlepšuje rýchlosť a odozvu zariadenia.
(5) Štruktúra SAGCM so zosilneným rezonátorom (RCE)
Pri vyššie uvedenom optimálnom návrhu tradičných detektorov musíme čeliť skutočnosti, že hrúbka absorpčnej vrstvy je protichodným faktorom pre rýchlosť zariadenia a kvantovú účinnosť. Tenká hrúbka absorpčnej vrstvy môže skrátiť čas prechodu nosičov náboja, čím sa dá dosiahnuť veľká šírka pásma. Zároveň však na dosiahnutie vyššej kvantovej účinnosti musí mať absorpčná vrstva dostatočnú hrúbku. Riešením tohto problému môže byť štruktúra rezonančnej dutiny (RCE), teda distribuovaný Braggov reflektor (DBR) navrhnutý v spodnej a hornej časti zariadenia. Zrkadlo DBR pozostáva z dvoch druhov materiálov s nízkym a vysokým indexom lomu, pričom oba rastú striedavo a hrúbka každej vrstvy zodpovedá 1/4 vlnovej dĺžky dopadajúceho svetla v polovodiči. Rezonančná štruktúra detektora môže spĺňať požiadavky na rýchlosť, hrúbka absorpčnej vrstvy môže byť veľmi tenká a kvantová účinnosť elektrónu sa po niekoľkých odrazoch zvyšuje.
(6) Štruktúra vlnovodu s prepojením na hrane (WG-APD)
Ďalším riešením na vyriešenie rozporu medzi rôznymi vplyvmi hrúbky absorpčnej vrstvy na rýchlosť zariadenia a kvantovú účinnosť je zavedenie štruktúry vlnovodu s okrajovou väzbou. Táto štruktúra vstupuje do svetla zboku, pretože absorpčná vrstva je veľmi dlhá, je ľahké dosiahnuť vysokú kvantovú účinnosť a zároveň je možné absorpčnú vrstvu vyrobiť veľmi tenkú, čím sa skracuje čas prechodu nosičov. Táto štruktúra preto rieši rozdielnu závislosť šírky pásma a účinnosti od hrúbky absorpčnej vrstvy a očakáva sa, že dosiahne vysokú rýchlosť a vysokú kvantovú účinnosť APD. Proces WG-APD je jednoduchší ako proces RCE APD, čo eliminuje zložitý proces prípravy zrkadla DBR. Preto je v praxi uskutočniteľnejší a vhodnejší pre optické pripojenie v spoločnej rovine.
3. Záver
Vývoj lavínyfotodetektorV článku sa skúmajú materiály a zariadenia. Rýchlosti ionizácie elektrónov a dier v materiáloch InP sú blízke rýchlostiam ionizácie InAlAs, čo vedie k dvojitému procesu dvoch nosičových symbiónov, čo predlžuje čas vzniku lavíny a zvyšuje šum. V porovnaní s čistými materiálmi InAlAs majú kvantové jamové štruktúry InGaAs (P) /InAlAs a In (Al) GaAs / InAlAs zvýšený pomer koeficientov ionizácie v dôsledku zrážok, takže šumový výkon sa môže výrazne zmeniť. Pokiaľ ide o štruktúru, bola vyvinutá štruktúra SAGCM so zvýšeným rezonátorom (RCE) a štruktúra vlnovodu s viazanou hranou (WG-APD) s cieľom vyriešiť rozpory medzi rôznymi vplyvmi hrúbky absorpčnej vrstvy na rýchlosť zariadenia a kvantovú účinnosť. Vzhľadom na zložitosť procesu je potrebné ďalej preskúmať plné praktické využitie týchto dvoch štruktúr.
Čas uverejnenia: 14. novembra 2023