Põhimõte ja praegune olukordlaviini fotodetektor (APD fotodetektorTeine osa
2.2 APD kiibi struktuur
Mõistlik kiibi struktuur on suure jõudlusega seadmete peamine garantii. APD struktuuri kujundamisel võetakse peamiselt arvesse RC ajakonstanti, augu püüdmist heterosiirdes, laengukandjate läbimise aega läbi ammendumispiirkonna jne. Selle struktuuri areng on kokku võetud allpool:
(1) Põhistruktuur
Lihtsaim APD struktuur põhineb PIN-fotodioodil, P- ja N-piirkond on tugevalt legeeritud ning N-tüüpi või P-tüüpi kahekordselt tõrjuv piirkond on sisse viidud külgnevasse P- või N-piirkonda, et genereerida sekundaarseid elektrone ja aukpaare, et realiseerida primaarse fotovoolu võimendamist. InP-seeria materjalide puhul, kuna augu löökionisatsioonitegur on suurem kui elektronide löökionisatsioonitegur, paigutatakse N-tüüpi legeerimise võimenduspiirkond tavaliselt P-piirkonda. Ideaalses olukorras süstitakse võimenduspiirkonda ainult auke, seega nimetatakse seda struktuuri aukudega süstitud struktuuriks.
(2) Neeldumist ja võimendust eristatakse
InP laia keelutsooni omaduste tõttu (InP on 1,35 eV ja InGaAs on 0,75 eV) kasutatakse InP-d tavaliselt võimendustsooni materjalina ja InGaAs-i neeldumistsooni materjalina.
(3) Pakutakse vastavalt neeldumis-, gradiendi- ja võimendusstruktuure (SAGM).
Praegu kasutavad enamik kommertskasutusega APD-seadmeid InP/InGaAs materjali, InGaAs neeldumiskihina, InP-d tugeva elektrivälja (>5x105V/cm) all ilma läbilöögita, mida saab kasutada võimendustsooni materjalina. Selle materjali puhul on selle APD disain selline, et N-tüüpi InP-s tekib aukude kokkupõrkes laviinprotsess. Arvestades InP ja InGaAs keelutsooni suurt erinevust, takistab valentsitsooni energiataseme erinevus umbes 0,4 eV InGaAs neeldumiskihis tekkivad augud heterosiirde serval enne InP kordistajakihini jõudmist ning kiirus väheneb oluliselt, mille tulemuseks on selle APD pikk reageerimisaeg ja kitsas ribalaius. Selle probleemi saab lahendada, lisades kahe materjali vahele InGaAsP üleminekukihi.
(4) Pakutakse välja vastavalt neeldumis-, gradiendi-, laengu- ja võimendusstruktuurid (SAGCM).
Neeldumiskihi ja võimenduskihi elektrivälja jaotuse edasiseks reguleerimiseks lisatakse seadme konstruktsiooni laengukiht, mis parandab oluliselt seadme kiirust ja reageerimisvõimet.
(5) Resonaatoriga võimendatud (RCE) SAGCM struktuur
Traditsiooniliste detektorite optimaalse disaini puhul tuleb arvestada tõsiasjaga, et neeldumiskihi paksus on seadme kiiruse ja kvantefektiivsuse seisukohalt vastuoluline tegur. Neeldumiskihi õhuke paksus võib vähendada laengukandjate läbimisaega, saavutades suure ribalaiuse. Kuid samal ajal peab neeldumiskihi paksus olema suurema kvantefektiivsuse saavutamiseks piisav. Selle probleemi lahenduseks võib olla resonantsõõnsuse (RCE) struktuur, st seadme alumisse ja ülaossa on konstrueeritud hajutatud Braggi reflektor (DBR). DBR-peegel koosneb kahest materjalist, millel on madal ja kõrge murdumisnäitaja ning need kaks kasvavad vaheldumisi ja iga kihi paksus vastab pooljuhi langeva valguse lainepikkusele 1/4. Detektori resonaatori struktuur suudab vastata kiiruse nõuetele, neeldumiskihi paksust saab teha väga õhukeseks ja elektroni kvantefektiivsus suureneb pärast mitut peegeldust.
(6) Äärissidestatud lainejuhi struktuur (WG-APD)
Teine lahendus neeldumiskihi paksuse erinevate mõjude vastuolu lahendamiseks seadme kiirusele ja kvantefektiivsusele on servaga seotud lainejuhtstruktuuri kasutuselevõtt. See struktuur siseneb valgusesse küljelt, kuna neeldumiskiht on väga pikk, on lihtne saavutada kõrget kvantefektiivsust ja samal ajal saab neeldumiskihi valmistada väga õhukeseks, vähendades laengukandjate läbimise aega. Seega lahendab see struktuur ribalaiuse ja efektiivsuse erineva sõltuvuse neeldumiskihi paksusest ning eeldatavasti saavutab see suure kiiruse ja kõrge kvantefektiivsusega APD. WG-APD protsess on lihtsam kui RCE APD protsess, mis välistab DBR-peegli keerulise ettevalmistusprotsessi. Seetõttu on see praktilises valdkonnas teostatavam ja sobib ühistasandilise optilise ühenduse jaoks.
3. Kokkuvõte
Laviini arengfotodetektorMaterjale ja seadmeid vaadeldakse. InP-materjalide elektronide ja aukude kokkupõrke ionisatsioonikiirused on lähedased InAlAs-i omadele, mis viib kahe laengukandjate sümbiooni kahekordse protsessini, mis pikendab laviini tekkimise aega ja suurendab müra. Võrreldes puhaste InAlAs-materjalidega on InGaAs(P)/InAlAs ja In(Al)GaAs/InAlAs kvantkaevude struktuuridel suurem kokkupõrke ionisatsioonikordajate suhe, mistõttu saab müra jõudlust oluliselt muuta. Struktuuri osas on välja töötatud resonaatoriga täiustatud (RCE) SAGCM struktuur ja servaga seotud lainejuhtstruktuur (WG-APD), et lahendada neeldumiskihi paksuse erinevate mõjude vastuolud seadme kiirusele ja kvantefektiivsusele. Protsessi keerukuse tõttu tuleb nende kahe struktuuri täielikku praktilist rakendamist edasi uurida.
Postituse aeg: 14. november 2023