Princip a současný stavlavinový fotodetektor (APD fotodetektor) Část dvě
2.2 Struktura čipu APD
Rozumná struktura čipu je základní zárukou vysoce výkonných zařízení.Strukturální návrh APD bere v úvahu především časovou konstantu RC, zachycení děr na heteropřechodu, dobu průchodu nosiče přes oblast vyčerpání a tak dále.Vývoj jeho struktury je shrnut níže:
(1) Základní struktura
Nejjednodušší struktura APD je založena na fotodiodě PIN, oblast P a oblast N jsou silně dotovány a do sousední oblasti P nebo oblasti N se zavádí dvojitě odpuzující oblast typu N nebo P, aby se vytvořily sekundární elektrony a díry. párů, aby se realizovalo zesílení primárního fotoproudu.U materiálů řady InP, protože koeficient ionizace nárazem díry je větší než koeficient ionizace nárazem elektronů, je oblast zisku dopingu typu N obvykle umístěna v oblasti P.V ideální situaci jsou do oblasti zesílení vstřikovány pouze otvory, proto se tato struktura nazývá struktura vstřikovaná dírami.
(2) Rozlišuje se absorpce a zisk
Vzhledem k charakteristice širokého pásma InP (InP je 1,35 eV a InGaAs je 0,75 eV), InP se obvykle používá jako materiál zóny zisku a InGaAs jako materiál absorpční zóny.
(3) Jsou navrženy struktury absorpce, gradientu a zisku (SAGM).
V současnosti většina komerčních APD zařízení používá materiál InP/InGaAs, InGaAs jako absorpční vrstvu, InP pod vysokým elektrickým polem (>5x105V/cm) bez průrazu, lze použít jako materiál zóny zisku.Pro tento materiál je návrh tohoto APD takový, že lavinový proces se tvoří v InP typu N srážkou děr.Vzhledem k velkému rozdílu v zakázaném pásmu mezi InP a InGaAs, rozdíl energetické hladiny asi 0,4 eV ve valenčním pásmu způsobuje, že otvory generované v absorpční vrstvě InGaAs jsou ucpané na okraji heteropřechodu před dosažením vrstvy násobiče InP a rychlost je značně vysoká. snížena, což má za následek dlouhou dobu odezvy a úzkou šířku pásma tohoto APD.Tento problém lze vyřešit přidáním přechodové vrstvy InGaAsP mezi dva materiály.
(4) Jsou navrženy struktury absorpce, gradientu, náboje a zisku (SAGCM).
Aby bylo možné dále upravit rozložení elektrického pole absorpční vrstvy a vrstvy zisku, je do konstrukce zařízení zavedena vrstva náboje, což výrazně zlepšuje rychlost a odezvu zařízení.
(5) Struktura SAGCM zesílená rezonátorem (RCE).
Při výše uvedené optimální konstrukci tradičních detektorů musíme čelit skutečnosti, že tloušťka absorpční vrstvy je protichůdným faktorem pro rychlost zařízení a kvantovou účinnost.Tenká tloušťka absorbující vrstvy může zkrátit dobu průchodu nosiče, takže lze získat velkou šířku pásma.Avšak zároveň, aby bylo dosaženo vyšší kvantové účinnosti, musí mít absorpční vrstva dostatečnou tloušťku.Řešením tohoto problému může být struktura rezonanční dutiny (RCE), to znamená, že distribuovaný Braggův reflektor (DBR) je navržen ve spodní a horní části zařízení.Zrcadlo DBR se skládá ze dvou druhů materiálů s nízkým indexem lomu a vysokým indexem lomu ve struktuře a oba rostou střídavě a tloušťka každé vrstvy odpovídá vlnové délce dopadajícího světla 1/4 v polovodiči.Struktura rezonátoru detektoru může splňovat požadavky na rychlost, tloušťka absorpční vrstvy může být velmi tenká a kvantová účinnost elektronu se po několika odrazech zvýší.
(6) Struktura vlnovodu vázaného na okraj (WG-APD)
Dalším řešením, jak vyřešit rozpor různých účinků tloušťky absorpční vrstvy na rychlost zařízení a kvantovou účinnost, je zavedení struktury vlnovodu s hranami.Tato struktura vstupuje do světla ze strany, protože absorpční vrstva je velmi dlouhá, je snadné získat vysokou kvantovou účinnost a zároveň může být absorpční vrstva vyrobena velmi tenká, což zkracuje dobu průchodu nosiče.Proto tato struktura řeší různou 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 komplikovaný proces přípravy zrcadla DBR.Proto je v praxi lépe proveditelný a vhodný pro optické spojení v běžné rovině.
3. Závěr
Vývoj lavinyfotodetektormateriály a zařízení.Rychlost ionizace elektronů a děr u materiálů InP se blíží rychlostem InAlAs, což vede k dvojitému procesu dvou nosných symbionů, což prodlužuje dobu budování laviny a zvyšuje hluk.Ve srovnání s čistými materiály InAlAs mají struktury kvantových vrtů InGaAs (P) /InAlAs a In (Al) GaAs/InAlAs zvýšený poměr srážkových ionizačních koeficientů, takže lze výrazně změnit šum.Pokud jde o strukturu, byla vyvinuta struktura SAGCM se zesíleným rezonátorem (RCE) a vlnovodná struktura s okrajem (WG-APD) s cílem vyřešit rozpory různých účinků tloušťky absorpční vrstvy na rychlost zařízení a kvantovou účinnost.Vzhledem ke složitosti procesu je třeba dále prozkoumat plnou praktickou aplikaci těchto dvou struktur.
Čas odeslání: 14. listopadu 2023