Принципът и настоящата ситуация налавинов фотодетектор (APD фотодетектор) Част втора
2.2 Структура на APD чипа
Разумната структура на чипа е основната гаранция за високопроизводителни устройства. Структурният дизайн на лабораторните фотодиодни частици (ЛАП) отчита главно времевата константа на RC, захващането на дупки в хетеропрехода, времето за преминаване на носителите през областта на изчерпване и т.н. Развитието на структурата е обобщено по-долу:
(1) Основна структура
Най-простата APD структура е базирана на PIN фотодиод, като P и N областите са силно легирани, а N-тип или P-тип двойно отблъскваща област се въвежда в съседната P или N област, за да генерира вторични електрони и дупкови двойки, така че да се реализира усилване на първичния фототок. При InP серията материали, тъй като коефициентът на дупкова ударна йонизация е по-голям от коефициента на електронна ударна йонизация, областта на усилване на N-тип легиране обикновено се поставя в P областта. В идеалния случай в областта на усилване се инжектират само дупки, така че тази структура се нарича дупково-инжектирана структура.
(2) Разграничават се абсорбцията и усилването
Поради характеристиките на широката забранена зона на InP (InP е 1.35eV, а InGaAs е 0.75eV), InP обикновено се използва като материал на зоната на усилване, а InGaAs като материал на зоната на абсорбция.
(3) Предложени са съответно структури на абсорбция, градиент и усилване (SAGM)
В момента повечето търговски APD устройства използват InP/InGaAs материал като абсорбционен слой. InGaAs може да се използва като материал за зона на усилване под високо електрическо поле (>5x105V/cm) без пробив. Конструкцията на APD за този материал е такава, че лавинният процес се формира в N-тип InP чрез сблъсък на дупки. Като се има предвид голямата разлика в забранената зона между InP и InGaAs, разликата в енергийните нива от около 0.4eV във валентната зона прави дупките, генерирани в абсорбционния слой InGaAs, блокирани на ръба на хетеропрехода, преди да достигнат умножителния слой InP, и скоростта е значително намалена, което води до дълго време за реакция и тясна честотна лента на този APD. Този проблем може да бъде решен чрез добавяне на преходен слой InGaAsP между двата материала.
(4) Предложени са съответно структури за абсорбция, градиент, заряд и усилване (SAGCM)
За да се регулира допълнително разпределението на електрическото поле на абсорбционния слой и усилващия слой, в дизайна на устройството се въвежда зарядният слой, което значително подобрява скоростта и реакцията на устройството.
(5) Структура на SAGCM с резонаторно подобрение (RCE)
При гореспоменатия оптимален дизайн на традиционните детектори, трябва да се изправим пред факта, че дебелината на абсорбционния слой е противоречив фактор за скоростта на устройството и квантовата ефективност. Тънката дебелина на абсорбиращия слой може да намали времето за преминаване на носителите, така че може да се постигне голяма честотна лента. В същото време обаче, за да се постигне по-висока квантова ефективност, абсорбционният слой трябва да има достатъчна дебелина. Решението на този проблем може да бъде структурата с резонансна кухина (RCE), т.е. разпределен Брагов рефлектор (DBR) е проектиран в долната и горната част на устройството. DBR огледалото се състои от два вида материали с нисък и висок коефициент на пречупване по структура, като двата се увеличават последователно, като дебелината на всеки слой съответства на дължината на вълната на падащата светлина 1/4 в полупроводника. Резонаторната структура на детектора може да отговори на изискванията за скорост, дебелината на абсорбционния слой може да бъде направена много тънка, а квантовата ефективност на електрона се увеличава след няколко отражения.
(6) Структура на вълновода с ръбово свързване (WG-APD)
Друго решение за разрешаване на противоречието между различните ефекти на дебелината на абсорбционния слой върху скоростта на устройството и квантовата ефективност е въвеждането на структура с ръбово свързан вълновод. Тази структура навлиза в светлината отстрани, тъй като абсорбционният слой е много дълъг, е лесно да се постигне висока квантова ефективност, а в същото време абсорбционният слой може да бъде направен много тънък, намалявайки времето за преминаване на носителите. Следователно, тази структура решава проблема с различната зависимост на честотната лента и ефективността от дебелината на абсорбционния слой и се очаква да постигне високоскоростно и висококвантово ефективно APD. Процесът на WG-APD е по-прост от този на RCE APD, което елиминира сложния процес на подготовка на огледало с разклонение (DBR). Следователно, той е по-осъществим в практическата област и подходящ за оптична връзка с обща равнина.
3. Заключение
Развитието на лавинафотодетекторРазглеждат се материали и устройства. Скоростите на йонизация при сблъсъци на електрони и дупки в InP материалите са близки до тези на InAlAs, което води до двоен процес на двата симбионни носителя, което прави времето за натрупване на лавината по-дълго и шумът се увеличава. В сравнение с чистите InAlAs материали, квантовите структури InGaAs (P) /InAlAs и In (Al) GaAs / InAlAs имат повишено съотношение на коефициентите на йонизация при сблъсъци, така че шумовите характеристики могат да бъдат значително променени. По отношение на структурата, са разработени резонаторно усилена (RCE) SAGCM структура и структура с ръбово свързан вълновод (WG-APD), за да се решат противоречията на различните ефекти на дебелината на абсорбционния слой върху скоростта на устройството и квантовата ефективност. Поради сложността на процеса, пълното практическо приложение на тези две структури трябва да бъде допълнително проучено.
Време на публикуване: 14 ноември 2023 г.