Periaate ja nykytilannelumivyöryvaloilmaisin (APD-valoilmaisin) Toinen osa
2.2 APD-sirun rakenne
Kohtuullinen sirurakenne on korkean suorituskyvyn laitteiden perusominaisuus. APD:n rakennesuunnittelussa otetaan pääasiassa huomioon RC-aikavakio, aukkojen sieppaus heteroliitoksessa, varauksenkuljettajien läpikulkuaika tyhjenemisalueen läpi ja niin edelleen. Sen rakenteen kehitys on tiivistetty alla:
(1) Perusrakenne
Yksinkertaisin APD-rakenne perustuu PIN-fotodiodiin, jossa P- ja N-alueet on voimakkaasti seostettu, ja viereiseen P- tai N-alueeseen on lisätty N- tai P-tyypin kaksoishylkivä alue sekundääristen elektronien ja aukkoparien muodostamiseksi, jotta voidaan vahvistaa ensisijaista fotovirtaa. InP-sarjan materiaaleissa N-tyypin dopingin vahvistusalue sijoitetaan yleensä P-alueelle, koska aukon törmäysionisaatiokerroin on suurempi kuin elektronin törmäysionisaatiokerroin. Ihanteellisessa tilanteessa vahvistusalueelle injektoidaan vain aukkoja, joten tätä rakennetta kutsutaan reikäinjektoiduksi rakenteeksi.
(2) Absorptio ja vahvistus erotetaan toisistaan
InP:n laajan energiavälin ominaisuuksien vuoksi (InP on 1,35 eV ja InGaAs on 0,75 eV), InP:tä käytetään yleensä vahvistusvyöhykkeen materiaalina ja InGaAs:a absorptiovyöhykkeen materiaalina.
(3) Absorptio-, gradientti- ja vahvistusrakenteet (SAGM) esitetään tässä järjestyksessä.
Tällä hetkellä useimmat kaupalliset APD-laitteet käyttävät InP/InGaAs-materiaalia absorptiokerroksena. InP:tä voidaan käyttää vahvistusvyöhykemateriaalina voimakkaassa sähkökentässä (>5x105V/cm) ilman läpilyöntiä. Tämän materiaalin APD:n suunnittelu perustuu siihen, että lumivyöryprosessi muodostuu N-tyypin InP:ssä aukkojen törmäyksessä. Ottaen huomioon InP:n ja InGaAs:n välisen suuren energia-aukoeron, noin 0,4 eV:n energiaero valenssivyöhykkeellä estää InGaAs-absorptiokerroksessa syntyvien aukkojen pääsyn heteroliitoksen reunalle ennen InP-kerroinkerroksen saavuttamista. Nopeus hidastuu huomattavasti, mikä johtaa APD:n pitkään vasteaikaan ja kapeaan kaistanleveyteen. Tämä ongelma voidaan ratkaista lisäämällä InGaAsP-siirtymäkerros kahden materiaalin väliin.
(4) Absorptio-, gradientti-, varaus- ja vahvistusrakenteet (SAGCM) esitetään tässä järjestyksessä.
Absorptiokerroksen ja vahvistuskerroksen sähkökentän jakautumisen säätämiseksi edelleen laitteen suunnitteluun lisätään varauskerros, mikä parantaa huomattavasti laitteen nopeutta ja reagointikykyä.
(5) Resonaattorilla vahvistettu (RCE) SAGCM-rakenne
Yllä olevassa perinteisten ilmaisimien optimaalisessa suunnittelussa on otettava huomioon, että absorptiokerroksen paksuus on ristiriitainen tekijä laitteen nopeuden ja kvanttihyötysuhteen kannalta. Ohut absorboiva kerros voi lyhentää kantoaallon läpikulkuaikaa, jolloin voidaan saavuttaa suuri kaistanleveys. Samalla absorptiokerroksen on kuitenkin oltava riittävän paksu, jotta saavutetaan korkeampi kvanttihyötysuhde. Ratkaisuna tähän ongelmaan voi olla resonanssiontelorakenne (RCE), eli hajautettu Bragg-heijastin (DBR), joka on suunniteltu laitteen pohjalle ja yläosaan. DBR-peili koostuu kahdenlaisista materiaaleista, joilla on alhainen ja korkea taitekerroin, ja nämä kaksi kasvavat vuorotellen, ja kunkin kerroksen paksuus vastaa puolijohteen tulevan valon aallonpituutta 1/4. Ilmaisimen resonaattorirakenne voi täyttää nopeusvaatimukset, absorptiokerroksen paksuus voidaan tehdä hyvin ohueksi ja elektronin kvanttihyötysuhde kasvaa useiden heijastusten jälkeen.
(6) Reunakytkentäinen aaltojohdinrakenne (WG-APD)
Toinen ratkaisu absorptiokerroksen paksuuden ristiriitaan laitteen nopeuteen ja kvanttihyötysuhteeseen on reunakytkentäisen aaltojohderakenteen käyttöönotto. Tämä rakenne tuo valon sisään sivulta, koska absorptiokerros on erittäin pitkä, on helppo saavuttaa korkea kvanttihyötysuhde, ja samalla absorptiokerros voidaan tehdä hyvin ohueksi, mikä lyhentää kantoaallon läpikulkuaikaa. Siksi tämä rakenne ratkaisee kaistanleveyden ja hyötysuhteen erilaisen riippuvuuden absorptiokerroksen paksuudesta, ja sen odotetaan saavuttavan korkean nopeuden ja korkean kvanttihyötysuhteen APD. WG-APD-prosessi on yksinkertaisempi kuin RCE APD, mikä poistaa DBR-peilin monimutkaisen valmistusprosessin. Siksi se on käytännön tasolla toteuttamiskelpoisempi ja soveltuu yhteistasoiseen optiseen liitäntään.
3. Johtopäätös
Lumivyöryn kehitysvaloilmaisinMateriaalit ja laitteet -osiossa tarkastellaan. InP-materiaalien elektronien ja aukkojen törmäysionisaationopeudet ovat lähellä InAlAs:n vastaavia, mikä johtaa kahden varauskanto-symbionin kaksoisprosessiin, mikä pidentää lumivyöryn muodostumisaikaa ja lisää kohinaa. Puhtaisiin InAlAs-materiaaleihin verrattuna InGaAs(P)/InAlAs- ja In(Al)GaAs/InAlAs-kvanttikuopparakenteilla on suurempi törmäysionisaatiokertoimien suhde, joten kohinaominaisuudet voivat muuttua merkittävästi. Rakenteen osalta resonaattorilla vahvistettua (RCE) SAGCM-rakennetta ja reunakytkettyä aaltojohdinrakennetta (WG-APD) kehitetään ratkaisemaan absorptiokerroksen paksuuden eri vaikutusten ristiriitoja laitteen nopeuteen ja kvanttitehokkuuteen. Prosessin monimutkaisuuden vuoksi näiden kahden rakenteen täysimääräistä käytännön soveltamista on tutkittava lisää.
Julkaisun aika: 14.11.2023