Princíp a súčasný stavlavínový fotodetektor (APD fotodetektor) Druhá časť
2.2 Štruktúra čipu APD
Rozumná štruktúra čipu je základnou zárukou vysoko výkonných zariadení. Štrukturálny návrh APD zohľadňuje hlavne časovú konštantu RC, zachytenie dier na heterojunkcii, čas prechodu nosiča cez oblasť vyčerpania atď. Vývoj jeho štruktúry je zhrnutý nižšie:
(1) Základná štruktúra
Najjednoduchšia štruktúra APD je založená na fotodióde PIN, oblasť P a oblasť N sú silne dotované a oblasť s dvojitým odpudzovaním typu N alebo P je zavedená do susednej oblasti P alebo oblasti N, aby sa vytvorili sekundárne elektróny a diera. párov, aby sa realizovalo zosilnenie primárneho fotoprúdu. V prípade materiálov série InP, pretože koeficient ionizácie nárazom diery je väčší ako koeficient ionizácie nárazom elektrónov, oblasť zisku dopingu typu N je zvyčajne umiestnená v oblasti P. V ideálnej situácii sa do oblasti zosilnenia vstrekujú iba diery, preto sa táto štruktúra nazýva štruktúra so vstrekovaním dier.
(2) Rozlišuje sa absorpcia a zisk
V dôsledku charakteristík InP so širokým pásmom (InP je 1,35 eV a InGaAs je 0,75 eV), InP sa zvyčajne používa ako materiál zóny zisku a InGaAs ako materiál absorpčnej zóny.
(3) Navrhujú sa štruktúry absorpcie, gradientu a zisku (SAGM).
V súčasnosti väčšina komerčných APD zariadení používa materiál InP/InGaAs, InGaAs ako absorpčnú vrstvu, InP pod vysokým elektrickým poľom (>5x105V/cm) bez poruchy, možno použiť ako materiál zóny zisku. Pre tento materiál je návrh tohto APD taký, že lavínový proces sa vytvára v InP typu N kolíziou otvorov. Vzhľadom na veľký rozdiel v zakázanom pásme medzi InP a InGaAs, rozdiel úrovne energie približne 0,4 eV vo valenčnom pásme spôsobuje, že otvory vytvorené v absorpčnej vrstve InGaAs sú upchaté na heterojunkčnej hrane pred dosiahnutím vrstvy multiplikátora InP a rýchlosť je značne vysoká. znížená, čo vedie k dlhej dobe odozvy a úzkej šírke pásma tohto APD. Tento problém je možné vyriešiť pridaním prechodovej vrstvy InGaAsP medzi tieto dva materiály.
(4) Navrhujú sa štruktúry absorpcie, gradientu, náboja a zisku (SAGCM).
Aby sa ďalej upravilo rozloženie elektrického poľa absorpčnej vrstvy a vrstvy zosilnenia, do konštrukcie zariadenia sa vložila vrstva náboja, čo výrazne zlepšuje rýchlosť a odozvu zariadenia.
(5) Štruktúra SAGCM zosilnená rezonátorom (RCE).
Pri vyššie uvedenom optimálnom dizajne tradičných detektorov musíme čeliť skutočnosti, že hrúbka absorpčnej vrstvy je protichodným faktorom pre rýchlosť zariadenia a kvantovú účinnosť. Tenká hrúbka absorbujúcej vrstvy môže skrátiť čas prechodu nosiča, takže možno získať veľkú šírku pásma. Avšak zároveň, aby sa dosiahla vyššia kvantová účinnosť, musí mať absorpčná vrstva dostatočnú hrúbku. Riešením tohto problému môže byť štruktúra rezonančnej dutiny (RCE), to znamená, že distribuovaný Braggov reflektor (DBR) je navrhnutý v spodnej a hornej časti zariadenia. Zrkadlo DBR sa skladá z dvoch druhov materiálov s nízkym indexom lomu a vysokým indexom lomu v štruktúre a oba rastú striedavo a hrúbka každej vrstvy zodpovedá vlnovej dĺžke dopadajúceho svetla 1/4 v polovodiči. Štruktúra rezonátora detektora môže spĺňať požiadavky na rýchlosť, hrúbka absorpčnej vrstvy môže byť veľmi tenká a kvantová účinnosť elektrónu sa zvyšuje po niekoľkých odrazoch.
(6) Štruktúra vlnovodu s okrajovou väzbou (WG-APD)
Ďalším riešením na vyriešenie rozporu rôznych účinkov hrúbky absorpčnej vrstvy na rýchlosť zariadenia a kvantovú účinnosť je zavedenie vlnovodu s okrajom. Táto štruktúra vstupuje do svetla zboku, pretože absorpčná vrstva je veľmi dlhá, je ľahké získať vysokú kvantovú účinnosť a zároveň môže byť absorpčná vrstva veľmi tenká, čím sa skracuje čas prechodu nosiča. Preto táto štruktúra rieši rôznu 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 komplikovaný proces prípravy zrkadla DBR. Preto je v praktickej oblasti uskutočniteľnejší a vhodný pre bežné rovinné optické spojenie.
3. Záver
Vývoj lavínfotodetektormateriály a zariadenia. Rýchlosti ionizácie elektrónov a dier pri zrážke materiálov InP sú blízke rýchlostiam InAlAs, čo vedie k dvojitému procesu dvoch nosných symbiónov, čo predlžuje čas výstavby lavíny a zvyšuje hluk. V porovnaní s čistými materiálmi InAlAs majú štruktúry kvantových vrtov InGaAs (P) / InAlAs a In (Al) GaAs / InAlAs zvýšený pomer koeficientov kolíziovej ionizácie, takže výkon hluku sa môže výrazne zmeniť. Pokiaľ ide o štruktúru, bola vyvinutá štruktúra SAGCM so zosilneným rezonátorom (RCE) a štruktúra vlnovodu s okrajom (WG-APD), aby sa vyriešili rozpory rôznych účinkov hrúbky absorpčnej vrstvy na rýchlosť zariadenia a kvantovú účinnosť. Vzhľadom na zložitosť procesu je potrebné ďalej preskúmať úplné praktické uplatnenie týchto dvoch štruktúr.
Čas odoslania: 14. novembra 2023