İlke ve mevcut durumçığ fotodedektörü (APD fotodedektör) İkinci Bölüm
2.2 APD çip yapısı
Makul çip yapısı, yüksek performanslı cihazların temel garantisidir. APD'nin yapısal tasarımı esas olarak RC zaman sabiti, heterojunction'daki delik yakalama, tükenme bölgesinden taşıyıcı geçiş süresi vb. faktörleri dikkate alır. Yapısal gelişiminin özeti aşağıdadır:
(1) Temel yapı
En basit APD yapısı, PIN fotodiyotuna dayanır; P bölgesi ve N bölgesi yoğun şekilde katkılanır ve ikincil elektron ve delik çiftleri üretmek için bitişik P bölgesine veya N bölgesine N tipi veya P tipi çift itici bölge eklenir, böylece birincil fotoakımın yükseltilmesi sağlanır. InP serisi malzemeler için, delik çarpma iyonlaşma katsayısı elektron çarpma iyonlaşma katsayısından daha 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
İnP'nin geniş bant aralığı özelliklerinden dolayı (İnP'nin bant aralığı 1,35 eV ve İnGaAs'ın bant aralığı 0,75 eV), İnP genellikle kazanç bölgesi malzemesi, İnGaAs ise soğurma bölgesi malzemesi olarak kullanılır.
(3) Emilim, gradyan ve kazanç (SAGM) yapıları sırasıyla önerilmiştir.
Şu anda, çoğu ticari APD cihazı InP/InGaAs malzemesi kullanmaktadır; InGaAs soğurma katmanı olarak, InP ise yüksek elektrik alanında (>5x10⁵ V/cm) bozulma olmadan kazanç bölgesi malzemesi olarak kullanılabilir. Bu malzeme için, bu APD'nin tasarımı, deliklerin çarpışmasıyla N tipi InP'de çığ sürecinin oluşmasına dayanmaktadır. InP ve InGaAs arasındaki bant aralığındaki büyük fark göz önüne alındığında, değerlik bandındaki yaklaşık 0,4 eV'lik enerji seviyesi farkı, InGaAs soğurma katmanında oluşan deliklerin InP çarpan katmanına ulaşmadan önce heterojunction kenarında engellenmesine ve hızının büyük ölçüde azalmasına neden olarak, bu APD'nin uzun tepki süresine ve dar bant genişliğine yol açmaktadır. Bu sorun, iki malzeme arasına bir InGaAsP geçiş katmanı eklenerek çözülebilir.
(4) Emilim, gradyan, yük ve kazanç (SAGCM) yapıları sırasıyla önerilmiştir.
Soğurma katmanı ve kazanç katmanının elektrik alan dağılımını daha da ayarlamak için, cihaz tasarımına şarj katmanı eklenmiştir; bu da cihazın hızını ve tepki verme yeteneğini önemli ölçüde artırır.
(5) Rezonatörle güçlendirilmiş (RCE) SAGCM yapısı
Yukarıda bahsedilen geleneksel dedektörlerin optimum tasarımında, soğurma katmanının kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği için çelişkili bir faktör olduğu gerçeğiyle yüzleşmeliyiz. Soğurma katmanının ince olması, taşıyıcı geçiş süresini azaltarak geniş bir bant genişliği elde edilmesini sağlar. Ancak aynı zamanda, daha yüksek kuantum verimliliği elde etmek için soğurma katmanının yeterli kalınlığa sahip olması gerekir. Bu sorunun çözümü, rezonans boşluğu (RCE) yapısı, yani cihazın alt ve üst kısmına tasarlanmış dağıtılmış Bragg reflektörü (DBR) olabilir. DBR aynası, yapısında düşük kırılma indisine ve yüksek kırılma indisine sahip iki tür malzemeden oluşur ve bu iki malzeme dönüşümlü olarak büyür; her katmanın kalınlığı, yarı iletken içindeki gelen ışığın dalga boyunun 1/4'ünü karşılar. Dedektörün rezonatör yapısı hız gereksinimlerini karşılayabilir, soğurma katmanının kalınlığı çok ince yapılabilir ve birkaç yansımadan sonra elektronun kuantum verimliliği artar.
(6) Kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD)
Soğurma katmanı kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkilerine ilişkin çelişkiyi çözmenin bir diğer çözümü, kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısını kullanmaktır. Bu yapı, ışığı yandan alır; soğurma katmanı çok uzun olduğu için yüksek kuantum verimliliği elde etmek kolaydır ve aynı zamanda soğurma katmanı çok ince yapılarak taşıyıcı geçiş süresi azaltılabilir. Bu nedenle, bu yapı bant genişliği ve verimliliğin soğurma katmanı kalınlığına olan farklı bağımlılığını çözer ve yüksek hız ve yüksek kuantum verimliliğine sahip APD elde edilmesi beklenir. WG-APD'nin üretim süreci, DBR aynasının karmaşık hazırlama sürecini ortadan kaldıran RCE APD'den daha basittir. Bu nedenle, pratik alanda daha uygulanabilir ve yaygın düzlem optik bağlantısı için uygundur.
3. Sonuç
Çığ oluşumufotodedektörMalzemeler ve cihazlar incelenmiştir. InP malzemelerinin elektron ve delik çarpışma iyonlaşma oranları InAlAs'inkine yakındır; bu da iki taşıyıcı simbiyozunun çift işlemine yol açarak çığ oluşum süresini uzatır ve gürültüyü artırır. Saf InAlAs malzemelerine kıyasla, InGaAs(P)/InAlAs ve In(Al)GaAs/InAlAs kuantum kuyusu yapıları, çarpışma iyonlaşma katsayılarının oranında artış gösterir, bu nedenle gürültü performansı büyük ölçüde değişebilir. Yapısal olarak, soğurma katmanı kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkilerinin çelişkilerini çözmek için rezonatörle güçlendirilmiş (RCE) SAGCM yapısı ve kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD) geliştirilmiştir. İşlemin karmaşıklığı nedeniyle, bu iki yapının tam pratik uygulaması daha fazla araştırılmalıdır.
Yayın tarihi: 14 Kasım 2023