Het principe en de huidige situatie vanlawinefotodetector (APD-fotodetector) Deel twee
2.2 APD-chipstructuur
Een redelijke chipstructuur is de basisgarantie voor hoogwaardige apparaten. Bij het structurele ontwerp van een APD wordt voornamelijk rekening gehouden met de RC-tijdconstante, de gatvangst bij de heteroverbinding, de dragerdoorlooptijd door het depletiegebied, 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 sterk gedoteerd, en een N-type of P-type dubbelafstotend gebied wordt in het aangrenzende P-gebied of N-gebied geïntroduceerd om secundaire elektronen- en gatenparen te genereren, waardoor de primaire fotostroom wordt versterkt. Bij InP-materialen is de impactionisatiecoëfficiënt van gaten groter dan die van elektronen, waardoor het versterkingsgebied met N-type dotering meestal in het P-gebied wordt geplaatst. In een ideale situatie worden alleen gaten in het versterkingsgebied geïnjecteerd; daarom wordt deze structuur een gatgeïnjecteerde structuur genoemd.
(2) Absorptie en winst worden onderscheiden
Vanwege de brede bandkloofkarakteristieken van InP (InP heeft een bandkloof van 1,35 eV en InGaAs van 0,75 eV) wordt InP doorgaans gebruikt als versterkingszonemateriaal en InGaAs als absorptiezonemateriaal.
(3) De absorptie-, gradiënt- en versterkingsstructuren (SAGM) worden respectievelijk voorgesteld.
Momenteel gebruiken de meeste commerciële APD-apparaten InP/InGaAs-materiaal, waarbij InGaAs als absorptielaag fungeert en InP onder een hoog elektrisch veld (>5x10⁵ V/cm) zonder doorslag kan worden gebruikt als versterkingszone. Het ontwerp van deze APD is gebaseerd op het lawineproces dat in het N-type InP ontstaat door de botsing van gaten. Gezien het grote verschil in bandgap tussen InP en InGaAs, zorgt het energieverschil van ongeveer 0,4 eV in de valentieband ervoor dat de gaten die in de InGaAs-absorptielaag worden gegenereerd, worden geblokkeerd aan de rand van de heteroverbinding voordat ze de InP-vermenigvuldigingslaag bereiken. Hierdoor wordt hun snelheid sterk verminderd, 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 versterkingsstructuren (SAGCM) worden respectievelijk voorgesteld.
Om de elektrische veldverdeling van de absorptielaag en de versterkingslaag verder aan te passen, wordt een ladingslaag in het apparaatontwerp geïntroduceerd, wat de snelheid en responsiviteit van het apparaat aanzienlijk verbetert.
(5) Resonator-versterkte (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 kwantumrendement van het apparaat. Een dunne absorptielaag kan de transittijd van de ladingsdragers verkorten, waardoor een grote bandbreedte kan worden verkregen. Tegelijkertijd moet de absorptielaag echter voldoende dik zijn om een hoger kwantumrendement te bereiken. De oplossing voor dit probleem kan de resonantieholtestructuur (RCE) zijn, waarbij een 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 en een hoge brekingsindex, die afwisselend groeien. De dikte van elke laag is afgestemd op een golflengte van 1/4 van het invallende licht in de halfgeleider. De resonantiestructuur van de detector voldoet aan de snelheidseisen, de dikte van de absorptielaag kan zeer dun worden gemaakt en het kwantumrendement van de elektronen wordt na meerdere reflecties verhoogd.
(6) Randgekoppelde golfgeleiderstructuur (WG-APD)
Een andere oplossing voor de tegenstrijdigheid tussen de verschillende effecten van de dikte van de absorptielaag op de snelheid en het kwantumrendement van het apparaat, is de introductie van een randgekoppelde golfgeleiderstructuur. Deze structuur laat licht van de zijkant binnenkomen, en doordat de absorptielaag erg lang is, is het gemakkelijk om een hoog kwantumrendement te bereiken. Tegelijkertijd kan de absorptielaag zeer dun worden gemaakt, waardoor de transittijd van de ladingsdragers wordt verkort. Deze structuur lost dus het probleem op van de verschillende afhankelijkheid van bandbreedte en efficiëntie van de dikte van de absorptielaag, en er wordt verwacht dat dit zal leiden tot APD's met een hoge snelheid en een hoog kwantumrendement. Het productieproces van WG-APD's is eenvoudiger dan dat van RCE-APD's, waardoor het complexe voorbereidingsproces van de DBR-spiegel wordt geëlimineerd. Daardoor is het in de praktijk beter toepasbaar en geschikt voor gangbare optische verbindingen.
3. Conclusie
De ontwikkeling van lawinesfotodetectorMaterialen en apparaten worden besproken. De botsingsionisatiesnelheden van elektronen en gaten in InP-materialen liggen dicht bij die van InAlAs, wat leidt tot een dubbel proces van de twee dragersymbiose. Dit verlengt de opbouwtijd van de lawine en verhoogt de ruis. In vergelijking met zuivere InAlAs-materialen hebben InGaAs(P)/InAlAs- en In(Al)GaAs/InAlAs-kwantumputstructuren een verhoogde verhouding van botsingsionisatiecoëfficiënten, waardoor de ruisprestaties aanzienlijk kunnen worden verbeterd. Qua structuur zijn de resonator-versterkte (RCE) SAGCM-structuur en de randgekoppelde golfgeleiderstructuur (WG-APD) ontwikkeld om de tegenstrijdigheden van de verschillende effecten van de dikte van de absorptielaag op de snelheid en het kwantumrendement van het apparaat op te lossen. Vanwege de complexiteit van het proces moet de volledige praktische toepassing van deze twee structuren verder worden onderzocht.
Geplaatst op: 14 november 2023