Принципы и текущее положение деллавинный фотодетектор (Фотодетектор APDЧасть вторая
2.2 Структура чипа APD
Разумная структура чипа является основной гарантией высокой производительности устройств. При проектировании структуры лавинного фотодиода (APD) в основном учитываются постоянная времени RC, захват дырок на гетеропереходе, время прохождения носителей заряда через обедненную область и т. д. Разработка его структуры кратко описана ниже:
(1) Базовая структура
Простейшая структура лавинного фотодиода (APD) основана на PIN-фотодиоде, в котором P- и N-области сильно легированы, а в соседние P- или N-области вводится область с двойным отталкиванием N- или P-типа для генерации вторичных пар электронов и дырок, что позволяет усилить первичный фототок. Для материалов серии InP, поскольку коэффициент ударной ионизации дырок больше, чем коэффициент ударной ионизации электронов, область усиления с легированием N-типа обычно располагается в P-области. В идеальной ситуации в область усиления инжектируются только дырки, поэтому такая структура называется структурой с инжекцией дырок.
(2) Различают поглощение и усиление
Благодаря широкой запрещенной зоне InP (InP имеет ширину 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 соответственно структуры поглощения, градиента и усиления (SAGM).
В настоящее время большинство коммерческих лавинных фотодиодов (APD) используют материал InP/InGaAs, где InGaAs выступает в качестве поглощающего слоя, а InP под действием высокого электрического поля (>5x10⁵ В/см) не пробивается и может использоваться в качестве материала зоны усиления. В конструкции данного APD лавинный процесс в N-типе InP происходит за счет столкновений дырок. Учитывая большую разницу в ширине запрещенной зоны между InP и InGaAs, разница энергетических уровней около 0,4 эВ в валентной зоне приводит к тому, что дырки, генерируемые в поглощающем слое InGaAs, блокируются на краю гетероперехода до достижения умножающего слоя InP, и скорость их перемещения значительно снижается, что приводит к длительному времени отклика и узкой полосе пропускания данного APD. Эту проблему можно решить путем добавления переходного слоя InGaAsP между двумя материалами.
(4) Предлагаются соответственно структуры поглощения, градиента, заряда и усиления (SAGCM).
Для дальнейшей корректировки распределения электрического поля в поглощающем и усиливающем слоях в конструкцию устройства вводится зарядовый слой, что значительно повышает скорость и быстродействие устройства.
(5) Резонаторно-усиленная (RCE) структура SAGCM
В описанной выше оптимальной конструкции традиционных детекторов необходимо учитывать, что толщина поглощающего слоя является противоречивым фактором, влияющим на скорость работы устройства и квантовую эффективность. Малая толщина поглощающего слоя позволяет сократить время прохождения носителей заряда, что обеспечивает большую полосу пропускания. Однако, в то же время, для достижения более высокой квантовой эффективности необходимо, чтобы поглощающий слой имел достаточную толщину. Решением этой проблемы может стать структура резонансной полости (РРП), то есть распределенный брэгговский отражатель (РБР), расположенный снизу и сверху устройства. Зеркало РБР состоит из двух материалов с низким и высоким показателем преломления, которые растут попеременно, а толщина каждого слоя соответствует длине волны падающего света, составляющей 1/4 от длины волны в полупроводнике. Резонаторная структура детектора позволяет удовлетворить требованиям к скорости, толщина поглощающего слоя может быть очень малой, а квантовая эффективность электронов увеличивается после нескольких отражений.
(6) Структура волновода с краевым соединением (WG-APD)
Еще одно решение для преодоления противоречия, связанного с различными эффектами толщины поглощающего слоя на скорость работы устройства и квантовую эффективность, заключается во введении волноводной структуры с краевой связью. В такой структуре свет поступает сбоку, и поскольку поглощающий слой очень длинный, легко получить высокую квантовую эффективность, и в то же время поглощающий слой может быть очень тонким, что уменьшает время прохождения носителей заряда. Таким образом, эта структура решает проблему различной зависимости полосы пропускания и эффективности от толщины поглощающего слоя и, как ожидается, позволит достичь высокой скорости и высокой квантовой эффективности APD. Процесс изготовления WG-APD проще, чем процесс изготовления RCE APD, что исключает сложный процесс изготовления зеркала DBR. Поэтому он более осуществим на практике и подходит для оптического соединения в общей плоскости.
3. Заключение
Развитие лавинфотодетекторВ обзоре рассматриваются материалы и устройства. Скорости ионизации электронов и дырок при столкновениях в материалах InP близки к скоростям в InAlAs, что приводит к двойному процессу симбиоза двух носителей заряда, увеличивая время формирования лавины и уровень шума. По сравнению с чистыми материалами InAlAs, структуры квантовых ям InGaAs(P)/InAlAs и In(Al)GaAs/InAlAs имеют увеличенное отношение коэффициентов ионизации при столкновениях, что позволяет значительно изменить шумовые характеристики. Что касается структуры, то для решения противоречий, связанных с различным влиянием толщины поглощающего слоя на скорость работы устройства и квантовую эффективность, были разработаны структура SAGCM с улучшенным резонатором (RCE) и структура волновода с краевой связью (WG-APD). Из-за сложности процесса необходимо дальнейшее изучение полного практического применения этих двух структур.
Дата публикации: 14 ноября 2023 г.