Elve és jelenlegi helyzetelavina fotodetektor (APD fotodetektor) Második rész
2.2 APD chip felépítése
Az ésszerű chipszerkezet a nagy teljesítményű eszközök alapvető garanciája. Az APD szerkezeti felépítése elsősorban az RC időállandóját, a lyukak befogását a heterojunkciónál, a hordozó tranzit idejét a kimerülési régión keresztül veszi figyelembe és így tovább. Szerkezetének alakulását az alábbiakban foglaljuk össze:
(1) Alapszerkezet
A legegyszerűbb APD-struktúra a PIN-fotodiódán alapul, a P régió és az N régió erősen adalékolt, és az N-típusú vagy P-típusú kétszeresen taszító régiót a szomszédos P vagy N régióba vezetik be, hogy másodlagos elektronokat és lyukat generáljanak. párokat, hogy megvalósítsuk a primer fotoáram erősítését. Az InP sorozatú anyagok esetében, mivel a lyukütési ionizációs együttható nagyobb, mint az elektron ütközési ionizációs együttható, az N típusú adalékolás erősítési tartománya általában a P tartományba kerül. Ideális helyzetben csak lyukakat fecskendeznek be az erősítési tartományba, ezért ezt a szerkezetet lyuk-injektált szerkezetnek nevezzük.
(2) Megkülönböztetik az abszorpciót és a nyereséget
Az InP széles sávú jellemzői miatt (InP 1,35 eV és InGaAs 0,75 eV) általában az InP-t használják az erősítési zóna anyagaként, az InGaAs-t pedig az abszorpciós zóna anyagaként.
(3) Az abszorpciós, gradiens- és erősítési (SAGM) struktúrákat rendre javasoltuk
Jelenleg a legtöbb kereskedelmi APD eszköz InP/InGaAs anyagot használ, InGaAs abszorpciós rétegként, InP nagy elektromos térben (>5x105V/cm) meghibásodás nélkül, erősítési zóna anyagként használható. Ennél az anyagnál ennek az APD-nek a kialakítása az, hogy a lavinafolyamat az N-típusú InP-ben lyukak ütközésével jön létre. Figyelembe véve az InP és az InGaAs közötti sávköz nagy különbségét, a vegyértéksávban a körülbelül 0,4 eV energiaszint-különbség miatt az InGaAs abszorpciós rétegben keletkező lyukak eltömődnek a heterojunkciós élnél, mielőtt elérnék az InP szorzóréteget, és a sebesség nagymértékben megnő. csökkent, ami hosszú válaszidőt és szűk sávszélességet eredményez ennek az APD-nek. Ezt a problémát úgy lehet megoldani, hogy a két anyag közé egy InGaAsP átmeneti réteget adunk.
(4) Az abszorpciós, gradiens-, töltés- és erősítési (SAGCM) struktúrákat rendre javasoltuk
Az abszorpciós réteg és az erősítési réteg elektromos téreloszlásának további beállítása érdekében a töltőréteget bevezetik az eszköz kialakításába, ami nagymértékben javítja az eszköz sebességét és válaszkészségét.
(5) Rezonátoros (RCE) SAGCM szerkezet
A hagyományos detektorok fenti optimális kialakításánál szembesülnünk kell azzal a ténnyel, hogy az abszorpciós réteg vastagsága ellentmondó tényező a készülék sebessége és kvantumhatékonysága szempontjából. Az elnyelő réteg vékony vastagsága csökkentheti a hordozó áthaladási idejét, így nagy sávszélesség érhető el. Ugyanakkor a nagyobb kvantumhatékonyság elérése érdekében az abszorpciós rétegnek megfelelő vastagságúnak kell lennie. Erre a problémára a megoldás a rezonanciaüreg (RCE) struktúra, vagyis az eszköz aljára és tetejére kialakított elosztott Bragg Reflector (DBR). A DBR tükör kétféle, alacsony törésmutatójú és magas törésmutatójú szerkezetű anyagból áll, és a kettő felváltva nő, és az egyes rétegek vastagsága a félvezetőben beeső fény hullámhosszának 1/4-ét éri el. A detektor rezonátor szerkezete teljesítheti a sebességi követelményeket, az abszorpciós réteg vastagsága nagyon vékonyra tehető, és az elektron kvantumhatékonysága többszöri visszaverődés után megnő.
(6) Élcsatolt hullámvezető szerkezet (WG-APD)
Egy másik megoldás az abszorpciós rétegvastagságnak az eszköz sebességére és kvantumhatékonyságára gyakorolt különböző hatásai ellentmondásának feloldására az élcsatolt hullámvezető szerkezet bevezetése. Ez a szerkezet oldalról jut be a fénybe, mivel az abszorpciós réteg nagyon hosszú, könnyű elérni a nagy kvantumhatékonyságot, ugyanakkor az abszorpciós réteg nagyon vékonyra tehető, csökkentve a hordozó áthaladási idejét. Ezért ez a struktúra megoldja a sávszélesség és a hatékonyság eltérő függését az abszorpciós réteg vastagságától, és várhatóan nagy sebességű és nagy kvantumhatékonyságú APD-t fog elérni. A WG-APD folyamata egyszerűbb, mint az RCE APD-é, ami kiküszöböli a DBR tükör bonyolult előkészítési folyamatát. Ezért a gyakorlatban megvalósíthatóbb és alkalmas közös sík optikai csatlakozásra.
3. Következtetés
A lavina kialakulásafotodetektoranyagokat és eszközöket áttekintik. Az InP anyagok elektron- és lyukütközési ionizációs sebessége közel áll az InAlAs-éhoz, ami a két hordozó szimbion kettős folyamatához vezet, ami meghosszabbítja a lavina felépítésének idejét és megnöveli a zajt. A tiszta InAlAs anyagokhoz képest az InGaAs (P) /InAlAs és In (Al) GaAs/InAlAs kvantumkút szerkezetek ütközési ionizációs együtthatóinak aránya megnövekedett, így a zajteljesítmény nagymértékben változtatható. Szerkezetét tekintve a rezonátoros (RCE) SAGCM szerkezetet és az élcsatolt hullámvezető szerkezetet (WG-APD) fejlesztették ki, hogy feloldják az abszorpciós rétegvastagság különböző hatásainak az eszköz sebességére és kvantumhatékonyságára gyakorolt ellentmondásait. A folyamat összetettsége miatt e két struktúra teljes gyakorlati alkalmazását tovább kell vizsgálni.
Feladás időpontja: 2023. november 14