Принцип и нынешняя ситуациялавинный фотодетектор (Фотодетектор APD) Часть вторая
2.2 Структура чипа APD
Рациональная структура кристалла – залог высокой производительности устройств. При проектировании лавинного фотодиода (ЛФД) в первую очередь учитываются постоянная времени RC-цепи, захват дырок на гетеропереходе, время прохождения носителей через обеднённую область и т. д. Разработка его структуры представлена ниже:
(1) Базовая структура
Простейшая структура лавинного фотодиода (APD) основана на P-фотодиоде, в котором области P и N сильно легированы, а в соседнюю область P или N вводится область с двойным отталкиванием N- или P-типа для генерации вторичных электронов и пар дырок, что приводит к усилению первичного фототока. В материалах серии InP, поскольку коэффициент ударной ионизации дырок больше коэффициента ударной ионизации электронов, область усиления с легированием N-типа обычно располагается в области P. В идеальном случае 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 — 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 сильным 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, созданные в поглощающем слое InGaAs, заблокированными на краю гетероперехода до достижения умножающего слоя 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 вводится зарядовый слой, что значительно повышает быстродействие и отзывчивость устройства.
(5) Структура SAGCM с улучшенным резонатором (RCE)
В описанной выше оптимальной конструкции традиционных детекторов необходимо учитывать тот факт, что толщина поглощающего слоя является противоречивым фактором для скорости устройства и квантовой эффективности. Тонкая толщина поглощающего слоя может сократить время прохождения носителей заряда, что позволяет получить большую полосу пропускания. Однако, в то же время, для достижения более высокой квантовой эффективности поглощающий слой должен иметь достаточную толщину. Решением этой проблемы может стать структура резонансной полости (RCE), то есть распределенный брэгговский отражатель (DBR), расположенный в нижней и верхней части устройства. Зеркало DBR состоит из двух видов материалов с низким и высоким показателем преломления, причем эти два слоя растут поочередно, а толщина каждого слоя соответствует 1/4 длины волны падающего света в полупроводнике. Резонаторная структура детектора может удовлетворить требованиям к скорости, толщина поглощающего слоя может быть очень тонкой, а квантовая эффективность электрона увеличивается после нескольких отражений.
(6) Структура волновода с краевой связью (WG-APD)
Другим решением для разрешения противоречия различного влияния 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. Таким образом, эта структура решает различную зависимость полосы пропускания и эффективности от толщины поглощающего слоя и, как ожидается, достигнет высокой скорости и высокой квантовой эффективности лавинного фотодиода (APD). Процесс WG-APD проще, чем у RCE APD, что исключает сложный процесс изготовления зеркала DBR. Поэтому он более осуществим на практике и подходит для оптического соединения с общей плоскостью.
3. Заключение
Развитие лавиныфотодетекторРассмотрены материалы и устройства. Скорости ионизации электронов и дырок при столкновении в материалах InP близки к скоростям InAlAs, что приводит к двойному процессу двух симбионов носителей заряда, что увеличивает время создания лавины и повышает шум. По сравнению с чистыми материалами InAlAs, структуры с квантовыми ямами InGaAs (P) / InAlAs и In (Al) GaAs / InAlAs имеют повышенное отношение коэффициентов ионизации при столкновении, поэтому шумовые характеристики могут быть значительно изменены. С точки зрения структуры, разработаны структура SAGCM с улучшенным резонатором (RCE) и структура волновода с краевой связью (WG-APD) для разрешения противоречий различного влияния толщины поглощающего слоя на скорость устройства и квантовую эффективность. Из-за сложности процесса полное практическое применение этих двух структур требует дальнейшего изучения.
Время публикации: 14 ноября 2023 г.