Princip i trenutna situacijafotodetektor lavine (APD fotodetektor) Drugi dio
2.2 Struktura APD čipa
Razumna struktura čipa je osnovna garancija visokoperformansnih uređaja. Strukturni dizajn APD-a uglavnom uzima u obzir vremensku konstantu RC-a, hvatanje šupljina na heterospoju, vrijeme prolaska nosioca kroz osiromašeno područje i tako dalje. Razvoj njegove strukture je sažet u nastavku:
(1) Osnovna struktura
Najjednostavnija APD struktura zasniva se na PIN fotodiodi, P i N regija su jako dopirane, a N-tip ili P-tip dvostruko odbojna regija se uvodi u susjednu P ili N regiju kako bi se generirali sekundarni elektroni i parovi šupljina, te se tako ostvaruje pojačanje primarne fotostruje. Kod InP serije materijala, budući da je koeficijent jonizacije udarom šupljina veći od koeficijenta jonizacije udarom elektrona, područje pojačanja N-tipa dopiranja se obično postavlja u P regiju. U idealnoj situaciji, samo se šupljine ubrizgavaju u područje pojačanja, pa se ova struktura naziva struktura s ubrizgavanjem šupljina.
(2) Apsorpcija i pojačanje se razlikuju
Zbog karakteristika širokog zabranjenog pojasa InP (InP je 1,35 eV, a InGaAs 0,75 eV), InP se obično koristi kao materijal zone pojačanja, a InGaAs kao materijal zone apsorpcije.
(3) Predložene su strukture apsorpcije, gradijenta i pojačanja (SAGM), respektivno
Trenutno, većina komercijalnih APD uređaja koristi InP/InGaAs materijal, pri čemu InGaAs služi kao apsorpcijski sloj. InP, pod jakim električnim poljem (>5x105V/cm) bez proboja, može se koristiti kao materijal za zonu pojačanja. Kod ovog materijala, dizajn ovog APD-a je takav da se proces lavine formira u N-tipu InP sudarom šupljina. S obzirom na veliku razliku u zabranjenoj zoni između InP i InGaAs, razlika u energetskim nivoima od oko 0,4eV u valentnoj zoni čini šupljine generirane u InGaAs apsorpcijskom sloju blokiranim na rubu heterospoja prije nego što dosegnu InP multiplikatorski sloj, a brzina je znatno smanjena, što rezultira dugim vremenom odziva i uskom propusnošću ovog APD-a. Ovaj problem se može riješiti dodavanjem InGaAsP prijelaznog sloja između dva materijala.
(4) Predložene su strukture apsorpcije, gradijenta, naboja i pojačanja (SAGCM), respektivno
Kako bi se dodatno prilagodila raspodjela električnog polja apsorpcijskog sloja i sloja pojačanja, u dizajn uređaja uvodi se sloj naboja, što znatno poboljšava brzinu i odziv uređaja.
(5) Struktura SAGCM-a sa rezonatorom poboljšanim (RCE)
U gore navedenom optimalnom dizajnu tradicionalnih detektora, moramo se suočiti s činjenicom da je debljina apsorpcijskog sloja kontradiktoran faktor za brzinu uređaja i kvantnu efikasnost. Tanka debljina apsorpcijskog sloja može smanjiti vrijeme prolaska nosioca naboja, tako da se može postići veliki propusni opseg. Međutim, istovremeno, da bi se postigla veća kvantna efikasnost, apsorpcijski sloj mora imati dovoljnu debljinu. Rješenje ovog problema može biti struktura rezonantne šupljine (RCE), odnosno distribuirani Bragg-ov reflektor (DBR) dizajniran je na dnu i vrhu uređaja. DBR ogledalo se sastoji od dvije vrste materijala s niskim i visokim indeksom prelamanja u strukturi, a oba rastu naizmjenično, a debljina svakog sloja odgovara talasnoj dužini upadne svjetlosti od 1/4 u poluprovodniku. Rezonatorska struktura detektora može zadovoljiti zahtjeve brzine, debljina apsorpcijskog sloja može biti vrlo tanka, a kvantna efikasnost elektrona se povećava nakon nekoliko refleksija.
(6) Struktura valovoda spregnutog na rubu (WG-APD)
Drugo rješenje za rješavanje kontradiktornosti različitih efekata debljine apsorpcijskog sloja na brzinu uređaja i kvantnu efikasnost je uvođenje strukture talasovoda spregnutog na rubu. Ova struktura ulazi u svjetlost sa strane, jer je apsorpcijski sloj vrlo dugačak, lako je postići visoku kvantnu efikasnost, a istovremeno, apsorpcijski sloj može biti vrlo tanak, smanjujući vrijeme prolaska nosioca. Stoga, ova struktura rješava različitu zavisnost propusnog opsega i efikasnosti od debljine apsorpcijskog sloja, te se očekuje da će postići visoku brzinu i visoku kvantnu efikasnost APD. Proces WG-APD je jednostavniji od procesa RCE APD, što eliminira kompliciran proces pripreme DBR ogledala. Stoga je izvodljiviji u praktičnom polju i pogodniji za optičku vezu zajedničke ravni.
3. Zaključak
Razvoj lavinefotodetektorU ovom radu se razmatraju materijali i uređaji. Brzine jonizacije elektrona i šupljina kod InP materijala bliske su onima kod InAlAs, što dovodi do dvostrukog procesa dva simbion nosioca, što produžava vrijeme stvaranja lavine i povećava šum. U poređenju sa čistim InAlAs materijalima, kvantne strukture InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs imaju povećan omjer koeficijenata jonizacije pri sudarima, tako da se performanse šuma mogu značajno promijeniti. Što se tiče strukture, razvijene su struktura SAGCM sa rezonatorom poboljšanim (RCE) i struktura talasovoda sa spregnutim rubom (WG-APD) kako bi se riješile kontradikcije različitih efekata debljine apsorpcionog sloja na brzinu uređaja i kvantnu efikasnost. Zbog složenosti procesa, potrebno je dalje istražiti punu praktičnu primjenu ove dvije strukture.
Vrijeme objave: 14. novembar 2023.