İlke ve mevcut durumçığ fotodetektörü (APD fotodedektörü) İkinci Bölüm
2.2 APD çip yapısı
Makul bir çip yapısı, yüksek performanslı cihazların temel garantisidir. APD'nin yapısal tasarımı temel olarak RC zaman sabitini, heterojonksiyondaki delik yakalamayı, taşıyıcının tükenme bölgesinden geçiş süresini vb. dikkate alır. Yapısının gelişimi aşağıda özetlenmiştir:
(1) Temel yapı
En basit APD yapısı, PIN fotodiyotuna dayanır; P bölgesi ve N bölgesi yoğun bir şekilde katkılanmıştır ve N tipi veya P tipi çift itici bölge, ikincil elektronlar ve delik çiftleri oluşturmak için bitişik P veya N bölgesine sokularak birincil fotoakımın yükseltilmesi sağlanır. InP serisi malzemelerde, delik darbe iyonlaşma katsayısı elektron darbe iyonlaşma katsayısından büyük olduğundan, N tipi katkılamanın kazanç bölgesi genellikle P bölgesine yerleştirilir. İdeal bir durumda, kazanç bölgesine yalnızca delikler enjekte edilir, bu nedenle bu yapıya delik enjeksiyonlu yapı denir.
(2) Emilim ve kazanç birbirinden ayırt edilir
InP'nin geniş bant aralığı özelliğinden dolayı (InP 1,35 eV ve InGaAs 0,75 eV'dir), InP genellikle kazanç bölgesi malzemesi olarak ve InGaAs ise emilim bölgesi malzemesi olarak kullanılır.
(3) Emilim, gradyan ve kazanç (SAGM) yapıları sırasıyla önerilmiştir
Günümüzde çoğu ticari APD cihazı, InP/InGaAs malzemesini kullanmaktadır. Absorpsiyon katmanı olarak InGaAs, yüksek elektrik alanı (>5x105V/cm) altında bozulma olmadan InP, kazanç bölgesi malzemesi olarak kullanılabilir. Bu malzeme için, bu APD'nin tasarımı, çığ sürecinin N tipi InP'de deliklerin çarpışmasıyla oluşmasıdır. InP ve InGaAs arasındaki bant aralığındaki büyük fark göz önüne alındığında, değerlik bandındaki yaklaşık 0,4 eV'luk enerji seviyesi farkı, InGaAs absorpsiyon katmanında oluşan deliklerin, InP çarpan katmanına ulaşmadan önce heterojonksiyon kenarında tıkanmasına ve hızın büyük ölçüde azalmasına neden olarak bu APD'nin uzun tepki süresine ve dar bant genişliğine sahip olmasına yol açar. Bu sorun, iki malzeme arasına bir InGaAsP geçiş katmanı eklenerek çözülebilir.
(4) Emilim, gradyan, yük ve kazanç (SAGCM) yapıları sırasıyla önerilmiştir
Emilim katmanı ve kazanç katmanının elektrik alan dağılımını daha da ayarlamak için cihaz tasarımına şarj katmanı eklenerek cihazın hızı ve tepkisi büyük ölçüde iyileştirilmiştir.
(5) Rezonatörle geliştirilmiş (RCE) SAGCM yapısı
Geleneksel dedektörlerin yukarıdaki optimum tasarımında, absorpsiyon tabakasının kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği için çelişkili bir faktör olduğu gerçeğiyle yüzleşmeliyiz. Absorpsiyon tabakasının ince kalınlığı, taşıyıcı geçiş süresini azaltabilir, böylece geniş bir bant genişliği elde edilebilir. Ancak aynı zamanda, daha yüksek kuantum verimliliği elde etmek için absorpsiyon tabakasının yeterli kalınlığa sahip olması gerekir. Bu soruna çözüm, rezonans boşluğu (RCE) yapısı olabilir; yani, cihazın alt ve üst kısmına dağıtılmış Bragg Reflektörü (DBR) tasarlanır. DBR aynası, yapı olarak düşük kırılma indisi ve yüksek kırılma indisine sahip iki tür malzemeden oluşur ve ikisi dönüşümlü olarak büyür ve her katmanın kalınlığı, yarı iletkendeki gelen ışığın dalga boyunun 1/4'ünü karşılar. Dedektörün rezonatör yapısı hız gereksinimlerini karşılayabilir, absorpsiyon tabakasının kalınlığı çok ince yapılabilir ve elektronun kuantum verimliliği birkaç yansımadan sonra artar.
(6) Kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD)
Emilim katmanı kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkilerinin çelişkisini çözmek için bir diğer çözüm, kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısının kullanılmasıdır. Bu yapı, ışığa yandan girer, çünkü emilim katmanı çok uzun olduğundan yüksek kuantum verimliliği elde etmek kolaydır ve aynı zamanda emilim katmanı çok ince yapılabilir, bu da taşıyıcı geçiş süresini azaltır. Bu nedenle, bu yapı, bant genişliği ve verimliliğin emilim katmanının kalınlığına olan farklı bağımlılığını çözer ve yüksek hız ve yüksek kuantum verimliliğine sahip APD elde etmesi beklenir. WG-APD süreci, DBR aynasının karmaşık hazırlama sürecini ortadan kaldıran RCE APD'den daha basittir. Bu nedenle, pratik alanda daha uygulanabilir ve ortak düzlem optik bağlantısı için uygundur.
3. Sonuç
Çığ oluşumufotodedektörMalzemeler ve cihazlar incelenmektedir. InP malzemelerin elektron ve delik çarpışma iyonlaşma oranları, InAlAs'larınkine yakındır ve bu da iki taşıyıcı simbiyonun çift sürecine yol açarak çığ oluşum süresini uzatır ve gürültüyü artırır. Saf InAlAs malzemeleriyle karşılaştırıldığında, InGaAs (P) /InAlAs ve In (Al) GaAs /InAlAs kuantum kuyusu yapıları, çarpışma iyonlaşma katsayılarının oranının daha yüksek olması nedeniyle gürültü performansı büyük ölçüde değiştirilebilir. Yapı açısından, emilim tabakası kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkilerinin çelişkilerini çözmek için rezonatör destekli (RCE) SAGCM yapısı ve kenar kuplajlı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD) geliştirilmiştir. Sürecin karmaşıklığı nedeniyle, bu iki yapının tam pratik uygulamasının daha fazla araştırılması gerekmektedir.
Gönderim zamanı: 14-11-2023