Η αρχή και η τρέχουσα κατάσταση τουφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας (Φωτοανιχνευτής APD) Μέρος Δεύτερο
2.2 Δομή τσιπ APD
Η λογική δομή του τσιπ αποτελεί τη βασική εγγύηση για συσκευές υψηλής απόδοσης. Ο δομικός σχεδιασμός του APD λαμβάνει κυρίως υπόψη τη χρονική σταθερά RC, τη σύλληψη οπών στην ετεροεπαφή, τον χρόνο διέλευσης του φορέα μέσω της περιοχής εξάντλησης και ούτω καθεξής. Η ανάπτυξη της δομής του συνοψίζεται παρακάτω:
(1) Βασική δομή
Η απλούστερη δομή APD βασίζεται στην φωτοδίοδο PIN, η περιοχή P και η περιοχή N είναι έντονα ντοπαρισμένες και η διπλά απωθητική περιοχή τύπου N ή P εισάγεται στην παρακείμενη περιοχή P ή περιοχή N για να δημιουργήσει δευτερογενή ηλεκτρόνια και ζεύγη οπών, έτσι ώστε να επιτευχθεί η ενίσχυση του πρωτεύοντος φωτορεύματος. Για τα υλικά της σειράς InP, επειδή ο συντελεστής ιονισμού κρούσης οπών είναι μεγαλύτερος από τον συντελεστή ιονισμού κρούσης ηλεκτρονίων, η περιοχή κέρδους της ντοπαρίσματος τύπου N τοποθετείται συνήθως στην περιοχή P. Σε μια ιδανική περίπτωση, μόνο οπές εισάγονται στην περιοχή κέρδους, επομένως αυτή η δομή ονομάζεται δομή με ένεση οπών.
(2) Η απορρόφηση και το κέρδος διακρίνονται
Λόγω των ευρέων χαρακτηριστικών ενεργειακού χάσματος του InP (το InP είναι 1,35 eV και το InGaAs είναι 0,75 eV), το InP χρησιμοποιείται συνήθως ως υλικό ζώνης κέρδους και το InGaAs ως υλικό ζώνης απορρόφησης.
(3) Οι δομές απορρόφησης, κλίσης και κέρδους (SAGM) προτείνονται αντίστοιχα
Προς το παρόν, 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 κέρδους. Για αυτό το υλικό, ο σχεδιασμός αυτού του APD είναι ότι η διαδικασία χιονοστιβάδας σχηματίζεται στο InP τύπου Ν από τη σύγκρουση οπών. Λαμβάνοντας υπόψη τη μεγάλη διαφορά στο ενεργειακό χάσμα μεταξύ InP και InGaAs, η διαφορά ενεργειακού επιπέδου περίπου 0,4eV στη ζώνη σθένους εμποδίζει τις οπές που δημιουργούνται στο στρώμα απορρόφησης InGaAs στην άκρη της ετεροεπαφής πριν φτάσουν στο στρώμα πολλαπλασιαστή InP και η ταχύτητα μειώνεται σημαντικά, με αποτέλεσμα μεγάλο χρόνο απόκρισης και στενό εύρος ζώνης αυτού του APD. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να λυθεί με την προσθήκη ενός μεταβατικού στρώματος InGaAsP μεταξύ των δύο υλικών.
(4) Οι δομές απορρόφησης, κλίσης, φορτίου και κέρδους (SAGCM) προτείνονται αντίστοιχα
Προκειμένου να ρυθμιστεί περαιτέρω η κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου του στρώματος απορρόφησης και του στρώματος κέρδους, το στρώμα φορτίου εισάγεται στο σχεδιασμό της συσκευής, γεγονός που βελτιώνει σημαντικά την ταχύτητα και την απόκριση της συσκευής.
(5) Δομή SAGCM με ενίσχυση συντονιστή (RCE)
Στον παραπάνω βέλτιστο σχεδιασμό 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 συντονισμένης κοιλότητας (RCE), δηλαδή ο κατανεμημένος ανακλαστήρας Bragg (DBR) που σχεδιάζεται στο κάτω και στο πάνω μέρος της συσκευής. Ο καθρέφτης DBR αποτελείται από δύο είδη υλικών με χαμηλό δείκτη διάθλασης και υψηλό δείκτη διάθλασης στη δομή, και τα δύο αυξάνονται εναλλάξ, και το πάχος κάθε στρώματος συναντά το μήκος κύματος προσπίπτοντος φωτός 1/4 στον ημιαγωγό. Η δομή συντονισμού 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 με ακμή (WG-APD)
Μια άλλη λύση για την επίλυση της αντίφασης των διαφορετικών επιδράσεων του πάχους του στρώματος απορρόφησης στην ταχύτητα της συσκευής και την κβαντική απόδοση είναι η εισαγωγή δομής κυματοδηγού με ακμή. 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 λύνει 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, γεγονός που εξαλείφει την περίπλοκη διαδικασία προετοιμασίας του κατόπτρου DBR. Επομένως, είναι πιο εφικτή στον πρακτικό τομέα και κατάλληλη για οπτική σύνδεση κοινού επιπέδου.
3. Συμπέρασμα
Η ανάπτυξη της χιονοστιβάδαςφωτοανιχνευτήςΕξετάζεται η ανάλυση υλικών και συσκευών. Οι ρυθμοί ιονισμού σύγκρουσης ηλεκτρονίων και οπών των υλικών InP είναι κοντά σε αυτούς του InAlAs, γεγονός που οδηγεί στη διπλή διαδικασία των δύο συμβιωτικών φορέων, γεγονός που αυξάνει τον χρόνο σχηματισμού της χιονοστιβάδας και αυξάνει τον θόρυβο. Σε σύγκριση με τα καθαρά υλικά InAlAs, οι κβαντικές δομές φρεατίων InGaAs (P)/InAlAs και In (Al)GaAs/InAlAs έχουν αυξημένη αναλογία συντελεστών ιονισμού σύγκρουσης, επομένως η απόδοση θορύβου μπορεί να αλλάξει σημαντικά. Όσον αφορά τη δομή, η δομή SAGCM με ενίσχυση συντονιστή (RCE) και η δομή κυματοδηγού με ακμή (WG-APD) αναπτύσσονται προκειμένου να επιλυθούν οι αντιφάσεις των διαφορετικών επιδράσεων 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: 14 Νοεμβρίου 2023