Princip a současná situacelavinový fotodetektor (APD fotodetektor) Druhá část
2.2 Struktura čipu APD
Rozumná struktura čipu je základní zárukou vysoce výkonných součástek. Strukturální návrh APD zohledňuje především časovou konstantu RC, záchyt děr na heteropřechodu, dobu průchodu nosičů náboje oblastí ochuzování atd. Vývoj jeho struktury je shrnut níže:
(1) Základní struktura
Nejjednodušší struktura APD je založena na PIN fotodiodě, kde oblasti P a N jsou silně dopovány a do sousední oblasti P nebo N je zavedena dvojitě odpudivá oblast typu N nebo typu P pro generování sekundárních elektronů a párů děr, čímž se dosáhne zesílení primárního fotoproudu. U materiálů řady InP je koeficient ionizace děr větší než koeficient ionizace elektronů, proto je oblast zesílení dopování typu N obvykle umístěna v oblasti P. V ideálním případě jsou do oblasti zesílení injektovány pouze díry, proto se tato struktura nazývá struktura s injektovanými dírami.
(2) Rozlišuje se absorpce a zisk
Vzhledem k široké pásmové mezeře InP (InP je 1,35 eV a InGaAs je 0,75 eV) se InP obvykle používá jako materiál zesilovací zóny a InGaAs jako materiál absorpční zóny.
(3) Jsou navrženy struktury absorpce, gradientu a zesílení (SAGM) v uvedeném pořadí.
V současné době většina komerčních APD zařízení používá materiál InP/InGaAs jako absorpční vrstvu. InP lze použít jako materiál pro zesilovací zónu pod silným elektrickým polem (>5x105V/cm) bez průrazu. U tohoto materiálu je konstrukce APD založena na principu, že lavinový proces vzniká v InP typu N srážkou děr. Vzhledem k velkému rozdílu v šířce zakázaného pásma mezi InP a InGaAs, rozdíl energetických hladin ve valenčním pásmu přibližně 0,4 eV způsobuje, že díry generované v absorpční vrstvě InGaAs jsou blokovány na hraně hetero-přechodu před dosažením multiplikační vrstvy InP, a rychlost je výrazně snížena, což má za následek dlouhou dobu odezvy a úzkou šířku pásma tohoto APD. Tento problém lze vyřešit přidáním přechodové vrstvy InGaAsP mezi oba materiály.
(4) Jsou navrženy struktury absorpce, gradientu, náboje a zisku (SAGCM) v uvedeném pořadí.
Aby se dále upravilo rozložení elektrického pole absorpční vrstvy a zesilovací vrstvy, je do konstrukce zařízení zavedena nábojová vrstva, což výrazně zlepšuje rychlost a odezvu zařízení.
(5) Struktura SAGCM s rezonátorem vylepšeným (RCE)
U výše uvedeného optimálního návrhu tradičních detektorů musíme čelit skutečnosti, že tloušťka absorpční vrstvy je protichůdným faktorem pro rychlost zařízení a kvantovou účinnost. Tenká tloušťka absorpční vrstvy může zkrátit dobu průchodu nosičů náboje, takže lze dosáhnout velké šířky pásma. Zároveň však pro dosažení vyšší kvantové účinnosti musí mít absorpční vrstva dostatečnou tloušťku. Řešením tohoto problému může být struktura rezonanční dutiny (RCE), tj. distribuovaný Braggův reflektor (DBR) je navržen ve spodní a horní části zařízení. Zrcadlo DBR se skládá ze dvou druhů materiálů s nízkým a vysokým indexem lomu, které rostou střídavě a tloušťka každé vrstvy odpovídá 1/4 vlnové délky dopadajícího světla v polovodiči. Rezonanční struktura detektoru může splňovat požadavky na rychlost, tloušťku absorpční vrstvy lze vyrobit velmi tenkou a kvantová účinnost elektronu se po několika odrazech zvyšuje.
(6) Struktura vlnovodu s vazbou na hranu (WG-APD)
Dalším řešením pro vyřešení rozporu mezi různými vlivy tloušťky absorpční vrstvy na rychlost zařízení a kvantovou účinnost je zavedení struktury vlnovodu s vazbou na hranu. Tato struktura vstupuje do světla ze strany. Vzhledem k velké délce absorpční vrstvy je snadné dosáhnout vysoké kvantové účinnosti a zároveň lze absorpční vrstvu vyrobit velmi tenkou, což zkracuje dobu průchodu nosičů náboje. Tato struktura tak řeší rozdílnou závislost šířky pásma a účinnosti na tloušťce absorpční vrstvy a očekává se, že dosáhne vysoké rychlosti a vysoké kvantové účinnosti APD. Proces WG-APD je jednodušší než proces RCE APD, což eliminuje složitý proces přípravy zrcadla DBR. Proto je v praxi proveditelnější a vhodnější pro optické spojení se společnou rovinou.
3. Závěr
Vývoj lavinyfotodetektorV článku je shrnuta práce o materiálech a zařízeních. Rychlosti ionizace elektronů a děr v důsledku srážek u materiálů InP se blíží rychlostem ionizace InAlAs, což vede k dvojímu procesu obou nosičových symbionů, což prodlužuje dobu nárůstu laviny a zvyšuje šum. Ve srovnání s čistými materiály InAlAs mají kvantové jámové struktury InGaAs (P) /InAlAs a In (Al) GaAs / InAlAs zvýšený poměr koeficientů ionizace v důsledku srážek, takže se může výrazně změnit šumový výkon. Z hlediska struktury byla vyvinuta struktura SAGCM s rezonátorem (RCE) a vlnovodová struktura s vazbou na hranu (WG-APD), aby se vyřešily rozpory mezi různými vlivy tloušťky absorpční vrstvy na rychlost zařízení a kvantovou účinnost. Vzhledem k složitosti procesu je třeba dále prozkoumat plné praktické využití těchto dvou struktur.
Čas zveřejnění: 14. listopadu 2023