Het principe en de huidige situatie vanlawine fotodetector (APD-fotodetector) Deel twee
2.2 APD-chipstructuur
Een redelijke chipstructuur is de basisgarantie voor hoogwaardige apparaten. Het structurele ontwerp van APD houdt voornamelijk rekening met de RC-tijdconstante, de gatvangst bij heterojunctie, de doorlooptijd van de drager door het depletiegebied, enzovoort. De ontwikkeling van de structuur wordt hieronder samengevat:
(1) Basisstructuur
De eenvoudigste APD-structuur is gebaseerd op de PIN-fotodiode. De P- en N-regio zijn zwaar gedoteerd, en het N-type of P-type dubbel-afstotende gebied wordt in het aangrenzende P- of N-gebied geïntroduceerd om secundaire elektronen- en gatenparen te genereren en zo de primaire fotostroom te versterken. Voor InP-serie materialen, omdat de gatimpactionisatiecoëfficiënt groter is dan de elektronenimpactionisatiecoëfficiënt, wordt het versterkingsgebied met N-type doping meestal in het P-gebied geplaatst. In een ideale situatie worden alleen gaten in het versterkingsgebied geïnjecteerd; daarom wordt deze structuur een gatgeïnjecteerde structuur genoemd.
(2) Er wordt onderscheid gemaakt tussen absorptie en winst
Vanwege de grote bandkloof van InP (InP is 1,35 eV en InGaAs is 0,75 eV) wordt InP meestal gebruikt als materiaal voor de versterkingszone en InGaAs als materiaal voor de absorptiezone.
(3) De absorptie-, gradiënt- en winststructuren (SAGM) worden respectievelijk voorgesteld
Momenteel gebruiken de meeste commerciële APD-apparaten InP/InGaAs-materiaal. InGaAs als absorptielaag, InP onder een hoog elektrisch veld (> 5 x 105 V/cm) zonder doorslag, kan worden gebruikt als materiaal voor de versterkingszone. Het ontwerp van deze APD voor dit materiaal is dat het lawineproces in het N-type InP wordt gevormd door de botsing van gaten. Gezien het grote verschil in bandgap tussen InP en InGaAs, zorgt het energieniveauverschil van ongeveer 0,4 eV in de valentieband ervoor dat de gaten die in de InGaAs-absorptielaag worden gegenereerd, worden geblokkeerd aan de heterojunctierand voordat ze de InP-vermenigvuldigingslaag bereiken. De snelheid wordt hierdoor aanzienlijk verlaagd, wat resulteert in een lange responstijd en een smalle bandbreedte van deze APD. Dit probleem kan worden opgelost door een InGaAsP-overgangslaag tussen de twee materialen toe te voegen.
(4) De absorptie-, gradiënt-, lading- en winststructuren (SAGCM) worden respectievelijk voorgesteld
Om de verdeling van het elektrische veld van de absorptielaag en de versterkingslaag verder aan te passen, wordt de ladingslaag in het ontwerp van het apparaat geïntroduceerd, wat de snelheid en responsiviteit van het apparaat aanzienlijk verbetert.
(5) Resonator-verbeterde (RCE) SAGCM-structuur
Bij het bovenstaande optimale ontwerp van traditionele detectoren moeten we erkennen dat de dikte van de absorptielaag een tegenstrijdige factor is voor de snelheid en de kwantumefficiëntie van het apparaat. De geringe dikte van de absorberende laag kan de doorlooptijd van de ladingsdrager verkorten, waardoor een grote bandbreedte kan worden verkregen. Tegelijkertijd moet de absorptielaag echter voldoende dik zijn om een hogere kwantumefficiëntie te verkrijgen. De oplossing voor dit probleem kan de resonantieholte (RCE) zijn, dat wil zeggen de gedistribueerde Bragg-reflector (DBR) die aan de onder- en bovenkant van het apparaat is ontworpen. De DBR-spiegel bestaat uit twee soorten materialen met een lage en een hoge brekingsindex in de structuur, en deze twee groeien afwisselend, waarbij de dikte van elke laag overeenkomt met de golflengte van het invallende licht in de halfgeleider. De resonatorstructuur van de detector voldoet aan de snelheidseisen, de dikte van de absorptielaag kan zeer dun worden gemaakt en de kwantumefficiëntie van het elektron neemt toe na meerdere reflecties.
(6) Edge-coupled waveguide-structuur (WG-APD)
Een andere oplossing om de tegenstrijdigheid van de verschillende effecten van de dikte van de absorptielaag op de snelheid en kwantumefficiëntie van het apparaat op te lossen, is de introductie van een edge-coupled waveguide-structuur. Deze structuur dringt licht van de zijkant binnen. Omdat de absorptielaag erg lang is, is het gemakkelijk om een hoge kwantumefficiëntie te bereiken. Tegelijkertijd kan de absorptielaag zeer dun worden gemaakt, waardoor de doorlooptijd van de ladingsdrager wordt verkort. Deze structuur lost daarom de verschillende afhankelijkheid van bandbreedte en efficiëntie van de dikte van de absorptielaag op en zal naar verwachting een hoge snelheid en hoge kwantumefficiëntie APD bereiken. Het WG-APD-proces is eenvoudiger dan dat van RCE-APD, waardoor het gecompliceerde voorbereidingsproces van de DBR-spiegel overbodig is. Het is daarom praktischer toepasbaar en geschikt voor gemeenschappelijke optische verbindingen.
3. Conclusie
De ontwikkeling van lawinesfotodetectormaterialen en apparaten wordt besproken. De botsingssnelheden van elektronen en gaten van InP-materialen liggen dicht bij die van InAlAs, wat leidt tot het dubbele proces van de twee dragersymbionen, wat de lawineopbouwtijd verlengt en de ruis verhoogt. Vergeleken met pure InAlAs-materialen hebben InGaAs (P) /InAlAs- en In (Al) GaAs/InAlAs-kwantumputstructuren een verhoogde verhouding van botsingscoëfficiënten, waardoor de ruisprestaties aanzienlijk kunnen veranderen. Qua structuur worden de resonator-verbeterde (RCE) SAGCM-structuur en de edge-coupled waveguide-structuur (WG-APD) ontwikkeld om de tegenstrijdigheden van verschillende effecten van de dikte van de absorptielaag op de snelheid en kwantumefficiëntie van het apparaat op te lossen. Vanwege de complexiteit van het proces moet de volledige praktische toepassing van deze twee structuren verder worden onderzocht.
Plaatsingstijd: 14-11-2023