Принцип и нынешняя ситуациялавинный фотодетектор (Фотодетектор APD) Часть вторая
2.2 Структура чипа APD
Разумная структура чипа является основной гарантией высокопроизводительных устройств. Структурная конструкция APD в основном учитывает постоянную времени RC, захват дырок на гетеропереходе, время прохождения носителей через обедненную область и т. д. Развитие его структуры суммируется ниже:
(1) Базовая структура
Простейшая структура APD основана на PIN-фотодиоде, P-область и N-область сильно легированы, а N-тип или P-тип с двойным отталкиванием вводится в соседнюю P-область или N-область для генерации вторичных электронов и пар дырок, чтобы реализовать усиление первичного фототока. Для материалов серии InP, поскольку коэффициент ударной ионизации дырок больше коэффициента ударной ионизации электронов, область усиления легирования N-типа обычно помещается в P-область. В идеальной ситуации в область усиления инжектируются только дырки, поэтому такая структура называется структурой с дырочной инжекцией.
(2) Различают поглощение и усиление.
Из-за широкой запрещенной зоны InP (InP составляет 1,35 эВ, а InGaAs — 0,75 эВ) InP обычно используется в качестве материала зоны усиления, а InGaAs — в качестве материала зоны поглощения.
(3) Предлагаются структуры поглощения, градиента и усиления (SAGM) соответственно.
В настоящее время большинство коммерческих устройств APD используют материал InP/InGaAs, InGaAs в качестве поглощающего слоя, InP под высоким электрическим полем (>5x105 В/см) без пробоя может использоваться в качестве материала зоны усиления. Для этого материала конструкция этого APD заключается в том, что лавинный процесс формируется в InP N-типа путем столкновения дырок. Учитывая большую разницу в запрещенной зоне между InP и InGaAs, разница уровней энергии около 0,4 эВ в валентной зоне делает дырки, генерируемые в поглощающем слое InGaAs, заблокированными на краю гетероперехода до достижения слоя умножителя InP, и скорость значительно снижается, что приводит к большому времени отклика и узкой полосе пропускания этого APD. Эту проблему можно решить, добавив переходный слой InGaAsP между двумя материалами.
(4) Предлагаются структуры поглощения, градиента, заряда и усиления (SAGCM) соответственно.
Для дальнейшей регулировки распределения электрического поля поглощающего слоя и усиливающего слоя в конструкцию устройства введен зарядовый слой, что значительно повышает быстродействие и отзывчивость устройства.
(5) Структура SAGCM с улучшенным резонатором (RCE)
В приведенной выше оптимальной конструкции традиционных детекторов мы должны столкнуться с тем фактом, что толщина поглощающего слоя является противоречивым фактором для скорости устройства и квантовой эффективности. Тонкая толщина поглощающего слоя может сократить время прохождения носителей, поэтому можно получить большую полосу пропускания. Однако в то же время для получения более высокой квантовой эффективности поглощающий слой должен иметь достаточную толщину. Решением этой проблемы может быть структура резонансной полости (RCE), то есть распределенный брэгговский отражатель (DBR) спроектирован в нижней и верхней части устройства. Зеркало DBR состоит из двух видов материалов с низким показателем преломления и высоким показателем преломления в структуре, и они растут поочередно, а толщина каждого слоя соответствует длине волны падающего света 1/4 в полупроводнике. Резонаторная структура детектора может соответствовать требованиям скорости, толщина поглощающего слоя может быть сделана очень тонкой, а квантовая эффективность электрона увеличивается после нескольких отражений.
(6) Структура волновода с краевыми связями (WG-APD)
Другим решением для разрешения противоречия различных эффектов толщины поглощающего слоя на скорость устройства и квантовую эффективность является введение структуры волновода с краевой связью. Эта структура вводит свет сбоку, поскольку поглощающий слой очень длинный, легко получить высокую квантовую эффективность, и в то же время поглощающий слой можно сделать очень тонким, что сокращает время прохождения носителей. Следовательно, эта структура решает различную зависимость полосы пропускания и эффективности от толщины поглощающего слоя и, как ожидается, достигнет высокой скорости и высокой квантовой эффективности APD. Процесс WG-APD проще, чем у RCE APD, что исключает сложный процесс подготовки зеркала DBR. Следовательно, он более осуществим в практической области и подходит для оптического соединения с общей плоскостью.
3. Заключение
Развитие лавиныфотодетекторМатериалы и устройства рассматриваются. Скорости ионизации столкновением электронов и дырок в материалах InP близки к скоростям InAlAs, что приводит к двойному процессу двух симбионов носителей, что увеличивает время создания лавины и увеличивает шум. По сравнению с чистыми материалами InAlAs, структуры квантовых ям InGaAs (P) / InAlAs и In (Al) GaAs / InAlAs имеют повышенное отношение коэффициентов ионизации столкновением, поэтому шумовые характеристики могут быть значительно изменены. С точки зрения структуры, структура SAGCM с улучшенным резонатором (RCE) и структура волновода с краевой связью (WG-APD) разрабатываются для решения противоречий различных эффектов толщины поглощающего слоя на скорость устройства и квантовую эффективность. Из-за сложности процесса необходимо дальнейшее изучение полного практического применения этих двух структур.
Время публикации: 14 ноября 2023 г.