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, het vangen van gaten op heterojunctie, de transittijd van dragers door het uitputtingsgebied, enzovoort. De ontwikkeling van de structuur wordt hieronder samengevat:
(1) Basisstructuur
De eenvoudigste APD-structuur is gebaseerd op de PIN-fotodiode, het P-gebied en het N-gebied zijn zwaar gedoteerd en het N-type of P-type dubbel afstotende gebied wordt geïntroduceerd in het aangrenzende P-gebied of N-gebied om secundaire elektronen en gaten te genereren paren, om de versterking van de primaire fotostroom te realiseren. Voor materialen uit de InP-serie wordt het versterkingsgebied van dotering van het N-type gewoonlijk in het P-gebied geplaatst, omdat de ionisatiecoëfficiënt van de gatimpact groter is dan de elektronenimpactionisatiecoëfficiënt. In een ideale situatie worden alleen gaten in het versterkingsgebied geïnjecteerd, dus deze structuur wordt een door gaten geïnjecteerde structuur genoemd.
(2) Er wordt onderscheid gemaakt tussen absorptie en winst
Vanwege de brede bandafstandskarakteristieken van InP (InP is 1,35eV en InGaAs is 0,75eV), wordt InP gewoonlijk gebruikt als materiaal voor de versterkingszone en InGaAs als materiaal voor de absorptiezone.
(3) De absorptie-, gradiënt- en versterkingsstructuren (SAGM) worden respectievelijk voorgesteld
Momenteel gebruiken de meeste commerciële APD-apparaten InP/InGaAs-materiaal, InGaAs als absorptielaag. InP kan onder een hoog elektrisch veld (>5x105V/cm) zonder doorslag worden gebruikt als materiaal voor de versterkingszone. Voor dit materiaal is het ontwerp van deze APD dat het lawineproces in de N-type InP wordt gevormd door de botsing van gaten. Gezien het grote verschil in de bandafstand 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, en de snelheid is enorm. verminderd, wat resulteert in een lange responstijd en 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 versterkingsstructuren (SAGCM) worden respectievelijk voorgesteld
Om de elektrische veldverdeling van de absorptielaag en de versterkingslaag verder aan te passen, wordt de ladingslaag in het apparaatontwerp geïntroduceerd, wat de snelheid en het reactievermogen van het apparaat aanzienlijk verbetert.
(5) Resonator verbeterde (RCE) SAGCM-structuur
In het bovenstaande optimale ontwerp van traditionele detectoren moeten we het feit onder ogen zien dat de dikte van de absorptielaag een tegenstrijdige factor is voor de snelheid van het apparaat en de kwantumefficiëntie. De dunne dikte van de absorberende laag kan de transittijd van de drager verkorten, waardoor een grote bandbreedte kan worden verkregen. Om een hogere kwantumefficiëntie te verkrijgen, moet de absorptielaag tegelijkertijd echter voldoende dik zijn. De oplossing voor dit probleem kan de resonante holtestructuur (RCE) zijn, dat wil zeggen dat de gedistribueerde Bragg Reflector (DBR) aan de onder- en bovenkant van het apparaat is ontworpen. De DBR-spiegel bestaat uit twee soorten materialen met een lage brekingsindex en een hoge brekingsindex in structuur, en de twee groeien afwisselend, en de dikte van elke laag voldoet aan de invallende lichtgolflengte 1/4 in de halfgeleider. De resonatorstructuur van de detector kan aan de snelheidseisen voldoen, de dikte van de absorptielaag kan zeer dun worden gemaakt en de kwantumefficiëntie van het elektron wordt na verschillende reflecties verhoogd.
(6) Randgekoppelde golfgeleiderstructuur (WG-APD)
Een andere oplossing om de tegenstrijdigheid van verschillende effecten van de dikte van de absorptielaag op de snelheid van het apparaat en de kwantumefficiëntie op te lossen, is het introduceren van een randgekoppelde golfgeleiderstructuur. Deze structuur komt het licht vanaf de zijkant binnen, omdat de absorptielaag erg lang is, het gemakkelijk is om een hoge kwantumefficiëntie te verkrijgen, en tegelijkertijd kan de absorptielaag erg dun worden gemaakt, waardoor de transittijd van de drager wordt verkort. Daarom lost deze structuur de verschillende afhankelijkheid van bandbreedte en efficiëntie op van de dikte van de absorptielaag op, en wordt verwacht dat deze een APD met hoge snelheid en hoge kwantumefficiëntie zal bereiken. Het proces van WG-APD is eenvoudiger dan dat van RCE APD, waardoor het ingewikkelde voorbereidingsproces van DBR-spiegel wordt geëlimineerd. Daarom is het op praktisch gebied beter haalbaar en geschikt voor optische verbindingen in een gemeenschappelijk vlak.
3. Conclusie
De ontwikkeling van lawinefotodetectormaterialen en apparaten worden beoordeeld. De ionisatiesnelheden van elektronen en gatenbotsingen van InP-materialen liggen dicht bij die van InAlAs, wat leidt tot het dubbele proces van de twee dragersymbionen, waardoor de opbouwtijd van de lawine langer wordt en de ruis toeneemt. Vergeleken met zuivere InAlAs-materialen hebben de kwantumputstructuren van InGaAs (P) /InAlAs en In (Al) GaAs/InAlAs een grotere verhouding van botsingionisatiecoëfficiënten, zodat de geluidsprestaties aanzienlijk kunnen worden veranderd. In termen van structuur zijn de resonator verbeterde (RCE) SAGCM-structuur en de randgekoppelde golfgeleiderstructuur (WG-APD) ontwikkeld om de tegenstrijdigheden van verschillende effecten van de dikte van de absorptielaag op de apparaatsnelheid en kwantumefficiëntie op te lossen. Vanwege de complexiteit van het proces moet de volledige praktische toepassing van deze twee structuren verder worden onderzocht.
Posttijd: 14-nov-2023