İlke ve mevcut durumçığ fotodetektörü (APD fotodedektörü) İkinci Bölüm
2.2 APD çip yapısı
Makul çip yapısı, yüksek performanslı cihazların temel garantisidir. APD'nin yapısal tasarımı esas olarak RC zaman sabitini, heterojunksiyondaki delik yakalamayı, tükenme bölgesinden taşıyıcı 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 şekilde katkılanmıştır ve N tipi veya P tipi çift itici bölge, ikincil elektronlar ve delik çiftleri üretmek için bitişik P bölgesine veya N bölgesine sokulur, böylece birincil foto akımın yükseltilmesi gerçekleştirilir. InP serisi malzemeler için, delik darbe iyonizasyon katsayısı elektron darbe iyonizasyon 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, InGaAs ise emilim bölgesi malzemesi olarak kullanılır.
(3) Emilim, gradyan ve kazanç (SAGM) yapıları sırasıyla önerilmiştir
Günümüzde, çoğu ticari APD cihazı InP/InGaAs malzemesini kullanır, InGaAs emilim katmanı olarak, InP yüksek elektrik alanı altında (>5x105V/cm) bozulmadan, bir kazanç bölgesi malzemesi olarak kullanılabilir. Bu malzeme için, bu APD'nin tasarımı, çığ sürecinin deliklerin çarpışmasıyla N tipi InP'de oluşmasıdır. InP ve InGaAs arasındaki bant aralığındaki büyük fark göz önüne alındığında, değerlik bandındaki yaklaşık 0,4 eV'luk enerji seviyesi farkı, InGaAs emilim katmanında oluşan deliklerin InP çarpan katmanına ulaşmadan önce heterojunksiyon kenarında tıkanmasına neden olur ve hız büyük ölçüde azalır, bu da bu APD'nin uzun tepki süresi ve dar bant genişliği ile sonuçlanır. Bu sorun, iki malzeme arasına bir InGaAsP geçiş katmanı eklenerek çözülebilir.
(4) Emilim, gradyan, yük ve kazanç (SAGCM) yapıları sırasıyla önerilmiştir
Emilim tabakasının ve kazanç tabakasının elektrik alan dağılımını daha da ayarlamak için cihaz tasarımına yük tabakası eklenerek cihazın hızı ve tepkisi büyük ölçüde iyileştirilmiştir.
(5) Rezonatörle geliştirilmiş (RCE) SAGCM yapısı
Geleneksel dedektörlerin yukarıdaki optimum tasarımında, emilim tabakasının kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği için çelişkili bir faktör olduğu gerçeğiyle yüzleşmeliyiz. Emici tabakanın ince kalınlığı taşıyıcı geçiş süresini azaltabilir, böylece büyük bir bant genişliği elde edilebilir. Ancak, aynı zamanda, daha yüksek kuantum verimliliği elde etmek için, emilim tabakasının yeterli bir kalınlığa sahip olması gerekir. Bu soruna çözüm, rezonans boşluğu (RCE) yapısı olabilir, yani dağıtılmış Bragg Reflektörü (DBR), cihazın alt ve üst kısmına tasarlanır. DBR aynası, yapıda düşük kırılma indisi ve yüksek kırılma indisine sahip iki tür malzemeden oluşur ve ikisi dönüşümlü olarak büyür ve her tabakanın kalınlığı, yarı iletkendeki olay ışığının dalga boyunun 1/4'ünü karşılar. Dedektörün rezonatör yapısı hız gereksinimlerini karşılayabilir, emilim tabakasının kalınlığı çok ince yapılabilir ve elektronun kuantum verimliliği birkaç yansımadan sonra artar.
(6) Kenar-bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD)
Cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı emilim tabakası kalınlığı etkilerinin çelişkisini çözmek için bir başka çözüm de kenar-bağlantılı dalga kılavuzu yapısını tanıtmaktır. Bu yapı ışığa yandan girer, çünkü emilim tabakası çok uzundur, yüksek kuantum verimliliği elde etmek kolaydır ve aynı zamanda emilim tabakası çok ince yapılabilir, bu da taşıyıcı geçiş süresini azaltır. Bu nedenle, bu yapı bant genişliği ve verimliliğin emilim tabakasının kalınlığına olan farklı bağımlılığını çözer ve yüksek oran ve yüksek kuantum verimliliği APD'ye ulaşması 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 gözden geçirilir. InP malzemelerin elektron ve delik çarpışma iyonlaşma oranları InAlAs'larınkine yakındır, bu da iki taşıyıcı simbiyonun çift sürecine yol açar, bu da çığ oluşturma süresini uzatır ve gürültüyü artırır. Saf InAlAs malzemeleriyle karşılaştırıldığında, InGaAs (P) /InAlAs ve In (Al) GaAs / InAlAs kuantum kuyusu yapıları, çarpışma iyonlaşma katsayılarının artan oranına sahiptir, bu nedenle gürültü performansı büyük ölçüde değiştirilebilir. Yapı açısından, rezonatörle güçlendirilmiş (RCE) SAGCM yapısı ve kenar-bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD), emilim tabakası kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkilerinin çelişkilerini çözmek için geliştirilmiştir. Sürecin karmaşıklığı nedeniyle, bu iki yapının tam pratik uygulamasının daha fazla araştırılması gerekmektedir.
Yayınlanma zamanı: 14-Kas-2023