Princips un pašreizējā situācijalavīnu fotodetektors (APD fotodetektorsOtrā daļa
2.2 APD mikroshēmas struktūra
Saprātīga mikroshēmas struktūra ir augstas veiktspējas ierīču pamatgarantija. APD strukturālajā projektēšanā galvenokārt tiek ņemta vērā RC laika konstante, caurumu uztveršana heterosavienojumā, nesēja pārejas laiks caur noplicināšanas apgabalu utt. Tās struktūras attīstība ir apkopota turpmāk:
(1) Pamatstruktūra
Vienkāršākā APD struktūra ir balstīta uz PIN fotodiodi, P apgabals un N apgabals ir stipri leģēti, un blakus esošajā P apgabalā vai N apgabalā tiek ieviests N tipa vai P tipa divkārši atgrūdošais apgabals, lai ģenerētu sekundāros elektronus un caurumu pārus, tādējādi panākot primārās fotostrāvas pastiprināšanu. InP sērijas materiāliem, tā kā caurumu trieciena jonizācijas koeficients ir lielāks par elektronu trieciena jonizācijas koeficientu, N tipa leģējuma pastiprinājuma apgabals parasti tiek novietots P apgabalā. Ideālā situācijā pastiprinājuma apgabalā tiek injicēti tikai caurumi, tāpēc šo struktūru sauc par caurumu injicēšanas struktūru.
(2) Absorbcija un pastiprinājums tiek atšķirti
InP platās joslas atstarpes raksturlielumu dēļ (InP ir 1,35 eV un InGaAs ir 0,75 eV), InP parasti tiek izmantots kā pastiprinājuma zonas materiāls, bet InGaAs - kā absorbcijas zonas materiāls.
(3) Attiecīgi tiek piedāvātas absorbcijas, gradienta un pastiprinājuma (SAGM) struktūras
Pašlaik lielākā daļa komerciālo APD ierīču izmanto InP/InGaAs materiālu, InGaAs kā absorbcijas slāni, InP zem spēcīga elektriskā lauka (>5x105V/cm) bez sabrukuma, var tikt izmantots kā pastiprinājuma zonas materiāls. Šī materiāla APD konstrukcija ir tāda, ka lavīnas process N tipa InP veidojas caurumu sadursmēs. Ņemot vērā lielo joslas atstarpi starp InP un InGaAs, enerģijas līmeņa atšķirība aptuveni 0,4 eV valences joslā aizsedz InGaAs absorbcijas slānī ģenerētos caurumus heterosavienojuma malā, pirms tie sasniedz InP reizinātāja slāni, un ātrums ievērojami samazinās, kā rezultātā šim APD ir ilgs reakcijas laiks un šaura joslas platums. Šo problēmu var atrisināt, pievienojot InGaAsP pārejas slāni starp abiem materiāliem.
(4) Attiecīgi tiek piedāvātas absorbcijas, gradienta, lādiņa un pastiprinājuma (SAGCM) struktūras.
Lai vēl vairāk pielāgotu absorbcijas slāņa un pastiprinājuma slāņa elektriskā lauka sadalījumu, ierīces konstrukcijā tiek ieviests lādiņa slānis, kas ievērojami uzlabo ierīces ātrumu un reaģētspēju.
(5) Ar rezonatoru pastiprināta (RCE) SAGCM struktūra
Iepriekš minētajā tradicionālo detektoru optimālajā projektēšanā mums jāsaskaras ar faktu, ka absorbcijas slāņa biezums ir pretrunīgs faktors ierīces ātrumam un kvantu efektivitātei. Plānais absorbējošā slāņa biezums var samazināt nesēja tranzīta laiku, tādējādi iegūstot lielu joslas platumu. Tomēr vienlaikus, lai iegūtu augstāku kvantu efektivitāti, absorbcijas slānim ir jābūt pietiekamam biezumam. Šīs problēmas risinājums var būt rezonanses dobuma (RCE) struktūra, tas ir, izkliedētais Brega reflektors (DBR) ir konstruēts ierīces apakšā un augšpusē. DBR spogulis sastāv no divu veidu materiāliem ar zemu un augstu refrakcijas indeksu struktūrā, un abi aug pārmaiņus, un katra slāņa biezums atbilst pusvadītāja krītošās gaismas viļņa garumam 1/4. Detektora rezonatora struktūra var atbilst ātruma prasībām, absorbcijas slāņa biezumu var izgatavot ļoti plānu, un elektrona kvantu efektivitāte palielinās pēc vairākām atstarošanām.
(6) Ar malām savienota viļņvada struktūra (WG-APD)
Vēl viens risinājums, lai atrisinātu pretrunu starp absorbcijas slāņa biezuma dažādo ietekmi uz ierīces ātrumu un kvantu efektivitāti, ir ieviest ar malu savienotu viļņvada struktūru. Šī struktūra gaismu ievada no sāniem, jo absorbcijas slānis ir ļoti garš, ir viegli panākt augstu kvantu efektivitāti, un vienlaikus absorbcijas slāni var izgatavot ļoti plānu, samazinot nesēja tranzīta laiku. Tādēļ šī struktūra atrisina atšķirīgo joslas platuma un efektivitātes atkarību no absorbcijas slāņa biezuma, un paredzams, ka tā sasniegs augstu ātrumu un augstu kvantu efektivitāti APD. WG-APD process ir vienkāršāks nekā RCE APD process, kas novērš sarežģīto DBR spoguļa sagatavošanas procesu. Tāpēc tas ir vairāk piemērots praktiskajā jomā un piemērots kopīgas plaknes optiskajam savienojumam.
3. Secinājums
Lavīnas attīstībafotodetektorsTiek pārskatīti materiāli un ierīces. InP materiālu elektronu un caurumu sadursmju jonizācijas ātrumi ir tuvi InAlAs ātrumiem, kas noved pie divu nesēju simbionu dubultā procesa, kas pagarina lavīnas veidošanās laiku un palielina troksni. Salīdzinot ar tīriem InAlAs materiāliem, InGaAs (P)/InAlAs un In(Al)GaAs/InAlAs kvantu aku struktūrām ir palielināta sadursmju jonizācijas koeficientu attiecība, tāpēc trokšņa rādītāji var ievērojami mainīties. Struktūras ziņā ir izstrādāta ar rezonatoru pastiprināta (RCE) SAGCM struktūra un ar malām savienota viļņvada struktūra (WG-APD), lai atrisinātu absorbcijas slāņa biezuma dažādo ietekmi uz ierīces ātrumu un kvantu efektivitāti. Procesa sarežģītības dēļ ir jāturpina pētīt šo divu struktūru pilnīga praktiskā pielietošana.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 14. novembris