Princip i trenutna situacijafotodetektor lavina (APD fotodetektor) Drugi dio
2.2 Struktura APD čipa
Razumna struktura čipa osnovno je jamstvo visokoučinkovitih uređaja. Strukturni dizajn APD-a uglavnom uzima u obzir vremensku konstantu RC-a, hvatanje šupljina na heterospoju, vrijeme prolaska nosioca kroz područje osiromašenja i tako dalje. Razvoj njegove strukture sažet je u nastavku:
(1) Osnovna struktura
Najjednostavnija APD struktura temelji se na PIN fotodiodi, P i N područje su jako dopirane, a N-tip ili P-tip dvostruko odbojno područje uvodi se u susjedno P područje ili N područje kako bi se generirali sekundarni elektroni i parovi šupljina, te se tako ostvaruje pojačanje primarne fotostruje. Kod InP serijskih materijala, budući da je koeficijent ionizacije udarom šupljina veći od koeficijenta ionizacije udarom elektrona, područje pojačanja N-tipa dopiranja obično se postavlja u P područje. U idealnoj situaciji, u područje pojačanja se ubrizgavaju samo šupljine, pa se ova struktura naziva struktura s ubrizgavanjem šupljina.
(2) Razlikuju se apsorpcija i pojačanje
Zbog karakteristika širokog zabranjenog pojasa InP-a (InP je 1,35 eV, a InGaAs 0,75 eV), InP se obično koristi kao materijal zone pojačanja, a InGaAs kao materijal zone apsorpcije.
(3) Predložene su strukture apsorpcije, gradijenta i pojačanja (SAGM) respektivno
Trenutno, većina komercijalnih APD uređaja koristi InP/InGaAs materijal, InGaAs kao apsorpcijski sloj, koji se pod jakim električnim poljem (>5x105V/cm) bez proboja može koristiti kao materijal zone pojačanja. Kod ovog materijala, dizajn ovog APD-a je takav da se proces lavine formira u N-tipu InP sudarom šupljina. S obzirom na veliku razliku u zabranjenom pojasu između InP i InGaAs, razlika u energetskim razinama od oko 0,4eV u valentnom pojasu čini šupljine generirane u apsorpcijskom sloju InGaAs blokiranim na rubu heterospoja prije nego što dosegnu InP sloj množitelja, a brzina je znatno smanjena, što rezultira dugim vremenom odziva i uskom propusnošću ovog APD-a. Ovaj problem može se riješiti dodavanjem prijelaznog sloja InGaAsP između dva materijala.
(4) Predložene su strukture apsorpcije, gradijenta, naboja i pojačanja (SAGCM) redom
Kako bi se dodatno prilagodila raspodjela električnog polja apsorpcijskog sloja i sloja pojačanja, u dizajn uređaja uvodi se sloj naboja, što uvelike poboljšava brzinu i odziv uređaja.
(5) Struktura SAGCM-a s rezonatorom poboljšanim (RCE)
U gore navedenom optimalnom dizajnu tradicionalnih detektora, moramo se suočiti s činjenicom da je debljina apsorpcijskog sloja kontradiktoran faktor za brzinu uređaja i kvantnu učinkovitost. Tanka debljina apsorpcijskog sloja može smanjiti vrijeme prolaska nosioca naboja, tako da se može postići velika propusnost. Međutim, istovremeno, kako bi se postigla veća kvantna učinkovitost, apsorpcijski sloj mora imati dovoljnu debljinu. Rješenje ovog problema može biti struktura rezonantne šupljine (RCE), odnosno distribuirani Braggov reflektor (DBR) dizajniran je na dnu i vrhu uređaja. DBR zrcalo sastoji se od dvije vrste materijala s niskim i visokim indeksom loma u strukturi, a oba rastu naizmjenično, a debljina svakog sloja odgovara valnoj duljini upadne svjetlosti od 1/4 u poluvodiču. Rezonatorska struktura detektora može zadovoljiti zahtjeve brzine, debljina apsorpcijskog sloja može se učiniti vrlo tankom, a kvantna učinkovitost elektrona se povećava nakon nekoliko refleksija.
(6) Struktura valovoda s rubnim vezanjem (WG-APD)
Drugo rješenje za rješavanje kontradiktornosti različitih učinaka debljine apsorpcijskog sloja na brzinu uređaja i kvantnu učinkovitost je uvođenje strukture valovoda s rubnim vezanjem. Ova struktura ulazi u svjetlost sa strane, jer je apsorpcijski sloj vrlo dug, lako je postići visoku kvantnu učinkovitost, a istovremeno se apsorpcijski sloj može napraviti vrlo tankim, smanjujući vrijeme prolaska nosioca. Stoga ova struktura rješava različitu ovisnost propusnosti i učinkovitosti o debljini apsorpcijskog sloja te se očekuje postizanje APD-a visoke brzine i visoke kvantne učinkovitosti. Proces WG-APD-a jednostavniji je od procesa RCE APD-a, što eliminira kompliciran proces pripreme DBR zrcala. Stoga je izvediviji u praktičnom području i prikladniji za optičku vezu zajedničke ravnine.
3. Zaključak
Razvoj lavinefotodetektorU radu se pregledavaju materijali i uređaji. Brzine ionizacije elektrona i šupljina kod InP materijala bliske su onima kod InAlAs, što dovodi do dvostrukog procesa dvaju simbiona nosioca, zbog čega vrijeme stvaranja lavine dulje, a šum se povećava. U usporedbi s čistim InAlAs materijalima, kvantne strukture InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs/InAlAs imaju povećani omjer koeficijenata ionizacije sudara, tako da se performanse šuma mogu uvelike promijeniti. Što se tiče strukture, razvijene su struktura SAGCM s rezonatorom poboljšanim (RCE) i struktura valovoda s rubnim vezanjem (WG-APD) kako bi se riješile kontradikcije različitih učinaka debljine apsorpcijskog sloja na brzinu uređaja i kvantnu učinkovitost. Zbog složenosti procesa, potrebno je dalje istražiti punu praktičnu primjenu ove dvije strukture.
Vrijeme objave: 14. studenog 2023.