Η αρχή και η παρούσα κατάσταση τουφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας (Φωτοανιχνευτής APD) Μέρος δεύτερο
2.2 Δομή τσιπ APD
Η λογική δομή τσιπ είναι η βασική εγγύηση συσκευών υψηλής απόδοσης. Ο δομικός σχεδιασμός του APD λαμβάνει υπόψη κυρίως τη χρονική σταθερά RC, τη σύλληψη οπών στην ετεροσύνδεση, τον χρόνο διέλευσης του φορέα μέσω της περιοχής εξάντλησης και ούτω καθεξής. Η εξέλιξη της δομής του συνοψίζεται παρακάτω:
(1) Βασική δομή
Η απλούστερη δομή APD βασίζεται στη φωτοδίοδο PIN, η περιοχή P και η περιοχή N είναι πολύ ντοπαρισμένα και η διπλά απωθητική περιοχή τύπου N ή τύπου P εισάγεται στη γειτονική περιοχή P ή περιοχή N για τη δημιουργία δευτερογενών ηλεκτρονίων και οπών ζεύγη, έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί η ενίσχυση του πρωτεύοντος φωτορεύματος. Για υλικά της σειράς InP, επειδή ο συντελεστής ιονισμού πρόσκρουσης οπής είναι μεγαλύτερος από τον συντελεστή ιονισμού κρούσης ηλεκτρονίων, η περιοχή κέρδους του ντόπινγκ τύπου Ν τοποθετείται συνήθως στην περιοχή P. Σε μια ιδανική κατάσταση, μόνο οπές εγχέονται στην περιοχή απολαβής, επομένως αυτή η δομή ονομάζεται δομή με έγχυση οπών.
(2) Διακρίνεται η απορρόφηση και το κέρδος
Λόγω των χαρακτηριστικών διάκενου ευρείας ζώνης του InP (το InP είναι 1,35 eV και το InGaAs είναι 0,75 eV), το InP χρησιμοποιείται συνήθως ως υλικό ζώνης απολαβής και το InGaA ως υλικό ζώνης απορρόφησης.
(3) Προτείνονται οι δομές απορρόφησης, κλίσης και απολαβής (SAGM) αντίστοιχα
Επί του παρόντος, οι περισσότερες εμπορικές συσκευές APD χρησιμοποιούν υλικό InP/InGaAs, το InGaAs ως στρώμα απορρόφησης, το InP υπό υψηλό ηλεκτρικό πεδίο (>5x105V/cm) χωρίς διάσπαση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υλικό ζώνης απολαβής. Για αυτό το υλικό, ο σχεδιασμός αυτού του APD είναι ότι η διαδικασία χιονοστιβάδας σχηματίζεται στο InP τύπου N από τη σύγκρουση οπών. Λαμβάνοντας υπόψη τη μεγάλη διαφορά στο διάκενο ζώνης μεταξύ InP και InGaAs, η διαφορά στάθμης ενέργειας περίπου 0,4eV στη ζώνη σθένους κάνει τις οπές που δημιουργούνται στο στρώμα απορρόφησης InGaAs να εμποδίζονται στο άκρο της ετεροσύνδεσης πριν φτάσουν στο στρώμα πολλαπλασιασμού InP και η ταχύτητα είναι πολύ μειωμένο, με αποτέλεσμα μεγάλο χρόνο απόκρισης και στενό εύρος ζώνης αυτής της APD. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί προσθέτοντας ένα στρώμα μετάβασης InGaAsP μεταξύ των δύο υλικών.
(4) Οι δομές απορρόφησης, κλίσης, φορτίου και απολαβής (SAGCM) προτείνονται αντίστοιχα
Προκειμένου να ρυθμιστεί περαιτέρω η κατανομή ηλεκτρικού πεδίου του στρώματος απορρόφησης και του στρώματος απολαβής, το στρώμα φόρτισης εισάγεται στο σχέδιο της συσκευής, το οποίο βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα και την απόκριση της συσκευής.
(5) Δομή SAGCM με ενισχυμένο συντονιστή (RCE).
Στον παραπάνω βέλτιστο σχεδιασμό των παραδοσιακών ανιχνευτών, πρέπει να αντιμετωπίσουμε το γεγονός ότι το πάχος του στρώματος απορρόφησης είναι ένας αντιφατικός παράγοντας για την ταχύτητα της συσκευής και την κβαντική απόδοση. Το λεπτό πάχος του στρώματος απορρόφησης μπορεί να μειώσει τον χρόνο διέλευσης του φορέα, έτσι ώστε να μπορεί να επιτευχθεί μεγάλο εύρος ζώνης. Ωστόσο, ταυτόχρονα, για να επιτευχθεί υψηλότερη κβαντική απόδοση, το στρώμα απορρόφησης πρέπει να έχει επαρκές πάχος. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα μπορεί να είναι η δομή της κοιλότητας συντονισμού (RCE), δηλαδή ο κατανεμημένος ανακλαστήρας Bragg (DBR) έχει σχεδιαστεί στο κάτω και στο επάνω μέρος της συσκευής. Ο καθρέφτης DBR αποτελείται από δύο είδη υλικών με χαμηλό δείκτη διάθλασης και υψηλό δείκτη διάθλασης στη δομή, και τα δύο αναπτύσσονται εναλλάξ και το πάχος κάθε στρώματος συναντά το μήκος κύματος προσπίπτοντος φωτός 1/4 στον ημιαγωγό. Η δομή του συντονιστή του ανιχνευτή μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις ταχύτητας, το πάχος του στρώματος απορρόφησης μπορεί να γίνει πολύ λεπτό και η κβαντική απόδοση του ηλεκτρονίου αυξάνεται μετά από αρκετές ανακλάσεις.
(6) Δομή κυματοδηγού συζευγμένου άκρου (WG-APD)
Μια άλλη λύση για την επίλυση της αντίφασης των διαφορετικών επιπτώσεων του πάχους του στρώματος απορρόφησης στην ταχύτητα της συσκευής και την κβαντική απόδοση είναι η εισαγωγή της δομής κυματοδηγού συζευγμένου άκρου. Αυτή η δομή εισέρχεται στο φως από το πλάι, επειδή το στρώμα απορρόφησης είναι πολύ μακρύ, είναι εύκολο να επιτευχθεί υψηλή κβαντική απόδοση και ταυτόχρονα, το στρώμα απορρόφησης μπορεί να γίνει πολύ λεπτό, μειώνοντας τον χρόνο διέλευσης του φορέα. Επομένως, αυτή η δομή επιλύει τη διαφορετική εξάρτηση του εύρους ζώνης και της απόδοσης από το πάχος του στρώματος απορρόφησης και αναμένεται να επιτύχει υψηλό ρυθμό και υψηλή κβαντική απόδοση APD. Η διαδικασία του WG-APD είναι απλούστερη από αυτή του RCE APD, η οποία εξαλείφει την περίπλοκη διαδικασία προετοιμασίας του καθρέφτη DBR. Επομένως, είναι πιο εφικτό στο πρακτικό πεδίο και κατάλληλο για κοινή οπτική σύνδεση επιπέδου.
3. Συμπέρασμα
Η ανάπτυξη της χιονοστιβάδαςφωτοανιχνευτήςυλικά και συσκευές επανεξετάζονται. Οι ρυθμοί ιονισμού σύγκρουσης ηλεκτρονίων και οπών των υλικών InP είναι κοντά σε αυτούς του InAlAs, γεγονός που οδηγεί στη διπλή διεργασία των δύο συμβιών φέροντος, γεγονός που κάνει το χρόνο δημιουργίας της χιονοστιβάδας μεγαλύτερο και τον θόρυβο αυξημένο. Σε σύγκριση με τα καθαρά υλικά InAlAs, οι δομές κβαντικών φρεατίων InGaAs (P) /InAlAs και In (Al) GaAs/InAlAs έχουν αυξημένο λόγο συντελεστών ιονισμού σύγκρουσης, επομένως η απόδοση του θορύβου μπορεί να αλλάξει σημαντικά. Όσον αφορά τη δομή, η δομή SAGCM με ενισχυμένο συντονιστή (RCE) και η δομή κυματοδηγού συζευγμένου άκρου (WG-APD) αναπτύσσονται προκειμένου να λυθούν οι αντιφάσεις των διαφορετικών επιπτώσεων του πάχους του στρώματος απορρόφησης στην ταχύτητα της συσκευής και την κβαντική απόδοση. Λόγω της πολυπλοκότητας της διαδικασίας, η πλήρης πρακτική εφαρμογή αυτών των δύο δομών πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω.
Ώρα δημοσίευσης: Νοε-14-2023