Принципът и настоящата ситуация налавинен фотодетектор (APD фотодетектор) Част две
2.2 Структура на APD чипа
Разумната структура на чипа е основната гаранция за устройства с висока производителност.Структурният дизайн на APD отчита главно времевата константа RC, улавянето на дупка при хетеропреход, времето за преминаване на носителя през региона на изчерпване и т.н.Развитието на неговата структура е обобщено по-долу:
(1) Основна структура
Най-простата APD структура се основава на PIN фотодиод, P регионът и N регионът са силно легирани, а N-тип или P-тип двойно отблъскващ регион се въвежда в съседния P регион или N регион за генериране на вторични електрони и дупки двойки, така че да се реализира усилването на първичния фототок.За материалите от серията InP, тъй като коефициентът на йонизация при въздействие на дупка е по-голям от коефициента на йонизация при електронно въздействие, зоната на усилване на допинг от N-тип обикновено се поставя в областта P.В идеална ситуация само дупки се инжектират в зоната на усилване, така че тази структура се нарича структура с инжектиране на дупки.
(2) Разграничават се абсорбцията и печалбата
Поради характеристиките на широката забранена лента на InP (InP е 1,35 eV, а InGaAs е 0,75 eV), InP обикновено се използва като материал на зоната на усилване, а InGaAs като материал на зоната на абсорбция.
(3) Предложени са съответно структурите на абсорбция, градиент и усилване (SAGM).
Понастоящем повечето комерсиални APD устройства използват InP/InGaAs материал, InGaAs като абсорбционен слой, InP под силно електрическо поле (>5x105V/cm) без повреда, може да се използва като материал за зона на усилване.За този материал дизайнът на този APD е, че лавинообразният процес се образува в N-тип InP чрез сблъсък на дупки.Като се има предвид голямата разлика в забранената лента между InP и InGaAs, разликата в енергийното ниво от около 0,4 eV във валентната лента прави дупките, генерирани в абсорбционния слой на InGaAs, блокирани на ръба на хетеропрехода, преди да достигнат умножителния слой InP и скоростта е значително намалено, 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 структурите на абсорбция, градиент, заряд и усилване (SAGCM).
За да се регулира допълнително разпределението на електрическото поле на абсорбционния слой и слоя на усилване, зарядният слой се въвежда в дизайна на устройството, което значително подобрява скоростта и отзивчивостта на устройството.
(5) Резонаторно подобрена (RCE) SAGCM структура
В горния 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 носителя, така че може да се получи голяма честотна лента.Въпреки това, в същото време, за да се получи по-висока квантова ефективност, абсорбционният слой трябва да има достатъчна дебелина.Решението на този проблем може да бъде структурата на резонансната кухина (RCE), т.е. разпределеният рефлектор на Bragg (DBR) е проектиран в долната и горната част на устройството.DBR огледалото се състои от два вида материали с нисък индекс на пречупване и висок индекс на пречупване в структурата, като двата растат последователно, а дебелината на всеки слой отговаря 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 и квантовата ефективност на електрона се увеличава след няколко отражения.
(6) Структура на вълновод с ръбове (WG-APD)
Друго решение за разрешаване на противоречието на различните ефекти на дебелината на абсорбционния слой върху скоростта на устройството и квантовата ефективност е да се въведе структура на вълновод, свързана с ръбове.Тази структура навлиза в светлината отстрани, тъй като абсорбционният слой е много дълъг, лесно е да се получи висока квантова ефективност и в същото време абсорбционният слой може да бъде направен много тънък, намалявайки времето за преминаване на носителя.Следователно тази структура разрешава различната зависимост на честотната лента и ефективността от дебелината на абсорбционния слой и се очаква да постигне висока скорост и висока квантова ефективност APD.Процесът на WG-APD е по-прост от този на RCE APD, което елиминира сложния процес на подготовка на DBR огледало.Следователно е по-осъществимо в практическата област и подходящо за оптична връзка в обща равнина.
3. Заключение
Развитието на лавинатафотодетекторпреглеждат се материали и устройства.Скоростите на йонизация при сблъсък на електрони и дупки на InP материалите са близки до тези на InAlAs, което води до двойния процес на двата носещи симбиона, което прави времето за изграждане на лавина по-дълго и шумът се увеличава.В сравнение с чистите материали InAlAs, структурите с квантови ямки InGaAs (P) /InAlAs и In (Al) GaAs/InAlAs имат увеличено съотношение на коефициентите на йонизация при сблъсък, така че шумовите характеристики могат да бъдат значително променени.По отношение на структурата са разработени подобрена с резонатор (RCE) SAGCM структура и свързана по ръбове вълноводна структура (WG-APD), за да се разрешат 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