Prensibi ve mevcut durumuçığ fotodetektörü (APD fotodedektör) Bölüm iki
2.2 APD çip yapısı
Makul çip yapısı, yüksek performanslı cihazların temel garantisidir.APD'nin yapısal tasarımı esas olarak RC zaman sabitini, heteroeklemde delik yakalamayı, tükenme bölgesi boyunca taşıyıcı geçiş süresini vb. dikkate alır.Yapısının gelişimi aşağıda özetlenmiştir:
(1) Temel yapı
En basit APD yapısı PIN fotodiyoduna dayanır; P bölgesi ve N bölgesi yoğun şekilde katkılıdır ve ikincil elektronlar ve boşluklar oluşturmak için N tipi veya P tipi çift itici bölge bitişik P bölgesine veya N bölgesine dahil edilir. Birincil foto akımın amplifikasyonunu gerçekleştirmek için çiftler.InP serisi malzemeler için, delik darbe iyonizasyon katsayısı elektron darbe iyonizasyon katsayısından daha büyük olduğundan, N tipi katkılamanın kazanç bölgesi genellikle P bölgesine yerleştirilir.İdeal bir durumda kazanç bölgesine yalnızca delikler enjekte edilir, dolayısıyla bu yapıya delik enjekte edilmiş yapı adı verilir.
(2) Emilim ve kazanç birbirinden ayrılır
InP'nin geniş bant aralığı özelliklerinden dolayı (InP 1,35eV ve InGaAs 0,75eV'dir), InP genellikle kazanç bölgesi malzemesi olarak ve InGaAs absorpsiyon bölgesi malzemesi olarak kullanılır.
(3) Absorbsiyon, gradyan ve kazanç (SAGM) yapıları sırasıyla önerilmiştir.
Şu anda çoğu ticari APD cihazı InP/InGaAs malzemesini kullanmaktadır, InGaAs emme katmanı olarak, InP yüksek elektrik alanı altında (>5x105V/cm) bozulmadan, kazanç bölgesi malzemesi olarak kullanılabilir.Bu malzeme için bu APD'nin tasarımı, N tipi InP'de çığ işleminin deliklerin çarpışmasıyla oluşması şeklindedir.InP ve InGaAs arasındaki bant aralığının büyük farkı göz önüne alındığında, değerlik bandındaki yaklaşık 0,4eV'lik enerji seviyesi farkı, InGaAs soğurma katmanında oluşturulan deliklerin, InP çarpan katmanına ulaşmadan önce heteroeklem kenarında tıkanmasına neden olur ve hız büyük ölçüde artar. azalır, bu da bu APD'nin tepki süresinin uzun olmasına ve bant genişliğinin dar olmasına neden olur.Bu sorun, iki malzeme arasına bir InGaAsP geçiş katmanı eklenerek çözülebilir.
(4) Absorbsiyon, gradyan, yük ve kazanç (SAGCM) yapıları sırasıyla önerilmiştir.
Soğurma katmanının ve kazanç katmanının elektrik alanı dağılımını daha da ayarlamak için, cihaz tasarımına yük katmanı eklenir ve bu da cihazın hızını ve tepki verme yeteneğini büyük ölçüde artırır.
(5) Rezonatörle geliştirilmiş (RCE) SAGCM yapısı
Geleneksel dedektörlerin yukarıdaki optimal tasarımında, soğurma katmanının kalınlığının, cihazın hızı ve kuantum verimliliği açısından çelişkili bir faktör olduğu gerçeğiyle yüzleşmemiz gerekir.Emici katmanın ince kalınlığı, taşıyıcının geçiş süresini azaltabilir, böylece büyük bir bant genişliği elde edilebilir.Ancak aynı zamanda daha yüksek kuantum verimi elde etmek için soğurma katmanının yeterli kalınlığa sahip olması gerekir.Bu sorunun çözümü rezonans kavite (RCE) yapısı yani cihazın alt ve üst kısmında tasarlanmış dağıtılmış Bragg Reflektör (DBR) olabilir.DBR aynası, yapısında düşük kırılma indisi ve yüksek kırılma indeksi olan iki tür malzemeden oluşur ve ikisi dönüşümlü olarak büyür ve her katmanın kalınlığı, yarı iletkende gelen ışık dalga boyunun 1/4'ünü karşılar.Dedektörün rezonatör yapısı hız gereksinimlerini karşılayabilir, soğurma katmanının kalınlığı çok ince yapılabilir ve birkaç yansıma sonrasında elektronun kuantum verimliliği arttırılabilir.
(6) Kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD)
Soğurma katmanı kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkileri arasındaki çelişkiyi çözmenin bir başka çözümü, kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısını tanıtmaktır.Bu yapı ışığa yandan girer, çünkü soğurma katmanı çok uzun olduğundan yüksek kuantum verimi elde etmek kolaydır ve aynı zamanda soğurma katmanı çok ince hale getirilerek taşıyıcı geçiş süresi kısaltılabilir.Bu nedenle, bu yapı, bant genişliği ve verimliliğin soğurma katmanının kalınlığına olan farklı bağımlılığını çözer ve yüksek hız ve yüksek kuantum verimliliğine sahip APD elde etmesi beklenir.WG-APD'nin süreci, RCE APD'ninkinden daha basittir, bu da DBR aynasının karmaşık hazırlık sürecini ortadan kaldırır.Bu nedenle pratik alanda daha uygulanabilir ve ortak düzlem optik bağlantısına uygundur.
3. Sonuç
Çığın gelişimifotodetektörmalzeme ve cihazlar gözden geçirilir.InP malzemelerinin elektron ve delik çarpışma iyonizasyon oranları InAlAs'ınkine 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 yapılarının çarpışma iyonizasyon katsayıları oranı yüksektir, dolayısıyla gürültü performansı büyük ölçüde değişebilir.Yapı açısından, rezonatörle geliştirilmiş (RCE) SAGCM yapısı ve kenar bağlantılı dalga kılavuzu yapısı (WG-APD), soğurma katmanı kalınlığının cihaz hızı ve kuantum verimliliği üzerindeki farklı etkilerinin çelişkilerini çözmek için geliştirilmiştir.Sürecin karmaşıklığından dolayı, bu iki yapının tam pratik uygulamasının daha fazla araştırılması gerekmektedir.
Gönderim zamanı: 14 Kasım 2023