Princip i sadašnja situacijafotodetektor lavine (APD fotodetektor) Drugi dio
2.2 APD struktura čipa
Razumna struktura čipa je osnovna garancija uređaja visokih performansi. Strukturni dizajn APD uglavnom uzima u obzir RC vremensku konstantu, hvatanje rupe na heterospojnici, vrijeme prolaska nosioca kroz područje iscrpljivanja i tako dalje. Razvoj njegove strukture je sažet u nastavku:
(1) Osnovna struktura
Najjednostavnija APD struktura zasnovana je na PIN fotodiodi, P regija i N regija su jako dopirane, a N-tip ili P-tip dvostruko repelentni region se uvodi u susjednu P regiju ili N regiju kako bi se generirali sekundarni elektroni i rupa parova, tako da se realizuje pojačanje primarne fotostruje. Za materijale serije InP, budući da je koeficijent jonizacije udarca rupa veći od koeficijenta jonizacije udara elektrona, područje pojačanja dopinga N-tipa se obično postavlja u P područje. U idealnoj situaciji, samo se rupe ubrizgavaju u područje pojačanja, tako da se ova struktura naziva struktura sa ubrizgavanjem rupa.
(2) Razlikuju se apsorpcija i pojačanje
Zbog širokopojasnih karakteristika InP (InP je 1,35eV, a InGaAs je 0,75eV), InP se obično koristi kao materijal zone pojačanja, a InGaAs kao materijal apsorpcione zone.
(3) Predložene su strukture apsorpcije, gradijenta i pojačanja (SAGM).
Trenutno većina komercijalnih APD uređaja koristi InP/InGaAs materijal, InGaAs kao apsorpcioni sloj, InP pod visokim električnim poljem (>5x105V/cm) bez sloma, može se koristiti kao materijal zone pojačanja. Za ovaj materijal, dizajn ovog APD-a je da se lavinski proces formira u N-tipu InP sudarom rupa. Uzimajući u obzir veliku razliku u pojasu između InP i InGaAs, razlika u nivou energije od oko 0,4 eV u valentnom pojasu čini da se rupe generirane u apsorpcionom sloju InGaAs blokiraju na rubu heterospojnice prije nego što dostignu sloj množitelja InP i brzina je u velikoj mjeri smanjen, što rezultira dugim vremenom odziva i uskim propusnim opsegom 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 distribucija električnog polja apsorpcionog sloja i sloja pojačanja, sloj naboja je uveden u dizajn uređaja, što značajno poboljšava brzinu i odziv uređaja.
(5) Rezonatorsko poboljšana (RCE) SAGCM struktura
U gore navedenom optimalnom dizajnu tradicionalnih detektora, moramo se suočiti sa činjenicom da je debljina apsorpcionog sloja kontradiktoran faktor za brzinu uređaja i kvantnu efikasnost. Tanka debljina upijajućeg sloja može smanjiti vrijeme prolaska nosača, tako da se može dobiti velika širina pojasa. Međutim, istovremeno, da bi se postigla veća kvantna efikasnost, apsorpcioni sloj treba da ima dovoljnu debljinu. Rješenje ovog problema može biti struktura rezonantne šupljine (RCE), odnosno distribuirani Braggov reflektor (DBR) je dizajniran na dnu i na vrhu uređaja. DBR ogledalo se sastoji od dvije vrste materijala sa niskim indeksom prelamanja i visokim indeksom prelamanja u strukturi, a dva rastu naizmenično, a debljina svakog sloja odgovara talasnoj dužini upadne svjetlosti 1/4 u poluvodiču. Rezonatorska struktura detektora može zadovoljiti zahtjeve brzine, debljina apsorpcionog sloja može biti vrlo tanka, a kvantna efikasnost elektrona se povećava nakon nekoliko refleksija.
(6) Rubno spregnuta struktura talasovoda (WG-APD)
Drugo rešenje za rešavanje kontradiktornosti različitih efekata debljine apsorpcionog sloja na brzinu uređaja i kvantnu efikasnost je uvođenje strukture talasovoda spregnute ivicom. Ova struktura ulazi u svetlost sa strane, jer je apsorpcioni sloj veoma dugačak, lako je postići visoku kvantnu efikasnost, a u isto vreme, apsorpcioni sloj može biti veoma tanak, smanjujući vreme tranzita nosača. Stoga ova struktura rješava različitu ovisnost propusnog opsega i efikasnosti od debljine apsorpcionog sloja, te se očekuje postizanje visoke brzine i visoke kvantne efikasnosti APD. Proces WG-APD je jednostavniji od RCE APD, što eliminiše komplikovan proces pripreme DBR ogledala. Stoga je izvodljivije u praksi i pogodnije za optičku vezu u zajedničkoj ravni.
3. Zaključak
Razvoj lavinefotodetektorpregledava se materijal i uređaj. Stope ionizacije sudara elektrona i rupa InP materijala su bliske onima za InAlAs, što dovodi do dvostrukog procesa dvaju simbiona nosača, što produžava vrijeme izgradnje lavine i povećava buku. U poređenju sa čistim InAlAs materijalima, strukture kvantnih bunara InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs imaju povećan omjer koeficijenata ionizacije sudara, tako da se performanse buke mogu značajno promijeniti. Što se tiče strukture, razvijene su SAGCM struktura poboljšane rezonatorom (RCE) i struktura talasovoda spregnutih na ivicama (WG-APD) kako bi se riješile kontradikcije različitih efekata debljine apsorpcionog sloja na brzinu uređaja i kvantnu efikasnost. Zbog složenosti procesa, potpunu praktičnu primjenu ove dvije strukture potrebno je dalje istražiti.
Vrijeme objave: 14.11.2023