Az alapelv és a jelenlegi helyzetlavina fotodetektor (APD fotodetektor) Második rész
2.2 APD chip felépítése
A nagy teljesítményű eszközök alapvető garanciája az ésszerű chipstruktúra. Az APD szerkezeti tervezése elsősorban az RC időállandót, a heteroátmenetnél lévő lyukak befogását, a vivőátmeneti időt a kiürülési tartományon keresztül stb. veszi figyelembe. Szerkezetének fejlődését az alábbiakban foglaljuk össze:
(1) Alapszerkezet
A legegyszerűbb APD-struktúra a PIN-fotodiódán alapul, a P- és N-tartomány erősen adalékolt, és az N-típusú vagy P-típusú kétszeresen taszító tartományt a szomszédos P- vagy N-tartományba vezetik be, hogy másodlagos elektronokat és lyukpárokat generáljanak, és ezáltal megvalósítsák az elsődleges fotoáram erősítését. Az InP sorozatú anyagok esetében, mivel a lyukütközési ionizációs együttható nagyobb, mint az elektronütközési ionizációs együttható, az N-típusú adalékolás erősítési tartományát általában a P-tartományba helyezik. Ideális esetben csak lyukak kerülnek az erősítési tartományba, ezért ezt a szerkezetet lyukbefecskendezett szerkezetnek nevezik.
(2) Az abszorpció és a nyereség megkülönböztethető
Az InP széles tiltott sávjának jellemzői miatt (az InP 1,35 eV, az InGaAs pedig 0,75 eV) az InP-t általában az erősítési zóna anyagaként, az InGaAs-t pedig az abszorpciós zóna anyagaként használják.
(3) Az abszorpciós, gradiens és erősítési (SAGM) struktúrákat rendre javasoljuk.
Jelenleg a legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható APD eszköz InP/InGaAs anyagot használ, InGaAs-t abszorpciós rétegként, az InP nagy elektromos térben (>5x105V/cm) letörés nélkül, erősítési zóna anyagként használható. Ennél az anyagnál az APD kialakítása az, hogy a lyukak ütközése lavinafolyamatot hoz létre az N-típusú InP-ben. Figyelembe véve az InP és az InGaAs közötti sávrés nagy különbségét, a vegyértéksávban lévő körülbelül 0,4 eV energiaszintkülönbség miatt az InGaAs abszorpciós rétegben keletkező lyukak elzáródnak a heteroátmenet szélén, mielőtt elérnék az InP szorzóréteget, és a sebesség jelentősen csökken, ami hosszú válaszidőt és keskeny sávszélességet eredményez az APD esetében. Ez a probléma egy InGaAsP átmeneti réteg hozzáadásával oldható meg a két anyag között.
(4) Az abszorpciós, gradiens, töltés és erősítés (SAGCM) szerkezeteket rendre javasoljuk.
Az abszorpciós réteg és az erősítő réteg elektromos téreloszlásának további beállítása érdekében a töltésréteget bevezetik az eszköz kialakításába, ami jelentősen javítja az eszköz sebességét és válaszidejét.
(5) Rezonátorral erősített (RCE) SAGCM struktúra
A hagyományos detektorok fenti optimális tervezésénél szembe kell néznünk azzal a ténnyel, hogy az abszorpciós réteg vastagsága ellentmondásos tényező az eszköz sebessége és a kvantumhatásfok szempontjából. Az abszorpciós réteg vékony rétege csökkentheti a vivőátmeneti időt, így nagy sávszélesség érhető el. Ugyanakkor a nagyobb kvantumhatásfok eléréséhez az abszorpciós rétegnek megfelelő vastagságúnak kell lennie. Ennek a problémának a megoldása lehet a rezonáns üreg (RCE) szerkezet, azaz az elosztott Bragg-reflektor (DBR) az eszköz alján és tetején található. A DBR tükör kétféle anyagból áll, alacsony és magas törésmutatójú szerkezettel, és a kettő felváltva növekszik, és az egyes rétegek vastagsága megfelel a félvezetőbe beeső fény 1/4-es hullámhosszának. A detektor rezonátorszerkezete megfelel a sebességkövetelményeknek, az abszorpciós réteg vastagsága nagyon vékonyra készíthető, és az elektron kvantumhatásfoka többszöri visszaverődés után megnő.
(6) Élcsatolt hullámvezető szerkezet (WG-APD)
Az abszorpciós réteg vastagságának az eszköz sebességére és a kvantumhatásfokra gyakorolt eltérő hatásai közötti ellentmondás feloldására egy másik megoldás az élcsatolt hullámvezető szerkezet bevezetése. Ez a szerkezet oldalról juttatja be a fényt, mivel az abszorpciós réteg nagyon hosszú, könnyen elérhető vele a magas kvantumhatásfok, ugyanakkor az abszorpciós réteg nagyon vékonyra készíthető, csökkentve a vivő áthaladási idejét. Ezért ez a szerkezet megoldja a sávszélesség és a hatásfok eltérő függését az abszorpciós réteg vastagságától, és várhatóan nagy sebességű és magas kvantumhatásfokú APD-t ér el. A WG-APD folyamata egyszerűbb, mint az RCE APD-é, ami kiküszöböli a DBR tükör bonyolult előkészítési folyamatát. Ezért a gyakorlatban jobban megvalósítható, és alkalmas közös síkú optikai csatlakozáshoz.
3. Következtetés
A lavina kialakulásafotodetektoranyagokat és eszközöket tekintik át. Az InP anyagok elektron- és lyukütközési ionizációs rátái közel vannak az InAlAs-éhoz, ami a két töltéshordozó-szimbión kettős folyamatához vezet, ami hosszabb lavinaképződési időt és nagyobb zajt eredményez. A tiszta InAlAs anyagokhoz képest az InGaAs(P)/InAlAs és az In(Al)GaAs/InAlAs kvantumkút-szerkezetek megnövekedett ütközési ionizációs együtthatók arányával rendelkeznek, így a zajteljesítmény nagymértékben megváltoztatható. Szerkezet szempontjából rezonátorral fokozott (RCE) SAGCM szerkezetet és élcsatolt hullámvezető szerkezetet (WG-APD) fejlesztettek ki az abszorpciós réteg vastagságának az eszköz sebességére és a kvantumhatásfokra gyakorolt eltérő hatásainak ellentmondásainak megoldása érdekében. A folyamat összetettsége miatt e két szerkezet teljes gyakorlati alkalmazását tovább kell vizsgálni.
Közzététel ideje: 2023. november 14.