Periaate ja nykytilannelumivyöryvaloilmaisin (APD-valodetektori) Toinen osa
2.2 APD-sirun rakenne
Kohtuullinen sirurakenne on korkean suorituskyvyn laitteiden perustakuu. APD:n rakennesuunnittelussa huomioidaan pääasiassa RC-aikavakio, reiän sieppaus heteroliitoksessa, kantoaallon siirtoaika ehtymisalueen läpi ja niin edelleen. Sen rakenteen kehitys on tiivistetty alla:
(1) Perusrakenne
Yksinkertaisin APD-rakenne perustuu PIN-valodiodiin, P-alue ja N-alue ovat voimakkaasti seostettuja, ja N-tyypin tai P-tyypin kaksinkertaisesti hylkivä alue viedään viereiseen P-alueeseen tai N-alueeseen sekundääristen elektronien ja reiän muodostamiseksi. paria primäärivalovirran vahvistuksen toteuttamiseksi. InP-sarjan materiaaleille, koska reikäiskuionisaatiokerroin on suurempi kuin elektronin iskuionisaatiokerroin, N-tyypin seostuksen vahvistusalue sijoitetaan yleensä P-alueelle. Ihannetilanteessa vahvistusalueelle ruiskutetaan vain reikiä, joten tätä rakennetta kutsutaan reikäruiskutetuksi rakenteeksi.
(2) Absorptio ja vahvistus erotetaan toisistaan
InP:n laajan kaistavälin ominaisuuksien vuoksi (InP on 1,35 eV ja InGaAs 0,75 eV), InP:tä käytetään yleensä vahvistusvyöhykkeen materiaalina ja InGaAs absorptioalueen materiaalina.
(3) Ehdotetaan absorptio-, gradientti- ja vahvistusrakenteita (SAGM).
Tällä hetkellä useimmat kaupalliset APD-laitteet käyttävät InP/InGaAs-materiaalia, InGaAs absorptiokerroksena, InP:tä suuren sähkökentän alla (>5x105V/cm) rikkoutumatta, voidaan käyttää vahvistusalueen materiaalina. Tälle materiaalille tämän APD:n rakenne on, että lumivyöryprosessi muodostuu N-tyypin InP:ssä reikien törmäyksen seurauksena. Ottaen huomioon InP:n ja InGaA:n välisen kaistavälin suuren eron, noin 0,4 eV:n energiatasoero valenssikaistalla saa InGaAs-absorptiokerroksen syntyneet reiät tukkimaan heteroliitosreunassa ennen InP-kerroinkerroksen saavuttamista ja nopeus on suuresti pienentynyt, mikä johtaa tämän APD:n pitkän vasteajan ja kapeaan kaistanleveyteen. Tämä ongelma voidaan ratkaista lisäämällä InGaAsP-siirtymäkerros kahden materiaalin väliin.
(4) Absorptio-, gradientti-, varaus- ja vahvistusrakenteita (SAGCM) ehdotetaan vastaavasti.
Absorptiokerroksen ja vahvistuskerroksen sähkökentän jakauman säätämiseksi edelleen, varauskerros on lisätty laitteen suunnitteluun, mikä parantaa huomattavasti laitteen nopeutta ja reagointikykyä.
(5) Resonaattorin tehostettu (RCE) SAGCM-rakenne
Yllä olevassa perinteisten ilmaisimien optimaalisessa suunnittelussa on otettava huomioon se tosiasia, että absorptiokerroksen paksuus on ristiriitainen tekijä laitteen nopeudelle ja kvanttitehokkuudelle. Absorboivan kerroksen ohut paksuus voi lyhentää kantoaallon kulkuaikaa, jolloin voidaan saavuttaa suuri kaistanleveys. Kuitenkin samaan aikaan korkeamman kvanttitehokkuuden saavuttamiseksi absorptiokerroksen on oltava riittävän paksu. Ratkaisu tähän ongelmaan voi olla resonanssiontelo (RCE) -rakenne, eli hajautettu Bragg Reflector (DBR) on suunniteltu laitteen ala- ja yläosaan. DBR-peili koostuu kahdesta materiaalista, joilla on alhainen taitekerroin ja korkea taitekerroin rakenteeltaan, ja nämä kaksi kasvavat vuorotellen, ja kunkin kerroksen paksuus vastaa tulevan valon aallonpituutta 1/4 puolijohteessa. Ilmaisimen resonaattorirakenne voi täyttää nopeusvaatimukset, absorptiokerroksen paksuus voidaan tehdä hyvin ohueksi ja elektronin kvanttitehokkuus kasvaa useiden heijastusten jälkeen.
(6) Reunakytkentäinen aaltoputkirakenne (WG-APD)
Toinen ratkaisu absorptiokerroksen paksuuden erilaisten vaikutusten ristiriidan ratkaisemiseksi laitteen nopeuteen ja kvanttitehokkuuteen on ottaa käyttöön reunakytkentäinen aaltoputkirakenne. Tämä rakenne pääsee valoon sivulta, koska absorptiokerros on erittäin pitkä, on helppo saavuttaa korkea kvanttitehokkuus, ja samalla absorptiokerros voidaan tehdä erittäin ohueksi, mikä vähentää kantoaallon kulkuaikaa. Siksi tämä rakenne ratkaisee kaistanleveyden ja tehokkuuden erilaisen riippuvuuden absorptiokerroksen paksuudesta, ja sen odotetaan saavuttavan korkean nopeuden ja korkean kvanttitehokkuuden APD. WG-APD:n prosessi on yksinkertaisempi kuin RCE APD:n, mikä eliminoi DBR-peilin monimutkaisen valmisteluprosessin. Siksi se on käyttökelpoisempi käytännön alalla ja sopii yhteiseen tasoon optiseen liitäntään.
3. Johtopäätös
Lumivyöryn kehitysvalonilmaisinmateriaalit ja laitteet käydään läpi. InP-materiaalien elektronien ja aukkojen törmäysionisaationopeudet ovat lähellä InAlA:iden vastaavia, mikä johtaa kahden kantoaallon symbionin kaksoisprosessiin, mikä pidentää lumivyöryn rakentamisaikaa ja lisää melua. Verrattuna puhtaisiin InAlAs-materiaaleihin, InGaAs (P) /InAlAs- ja In (Al) GaAs/InAlAs -kvanttikaivorakenteissa on suurempi törmäysionisaatiokertoimien suhde, joten melun suorituskykyä voidaan muuttaa suuresti. Rakenteellisesti resonaattorin tehostettua (RCE) SAGCM-rakennetta ja reunakytkettyä aaltoputkirakennetta (WG-APD) kehitetään ratkaisemaan ristiriidat, jotka johtuvat absorptiokerroksen paksuuden eri vaikutuksista laitteen nopeuteen ja kvanttitehokkuuteen. Prosessin monimutkaisuuden vuoksi näiden kahden rakenteen täysimääräistä käytännön soveltamista on tutkittava tarkemmin.
Postitusaika: 14.11.2023