Принцип и нынешняя ситуациялавинный фотодетектор (фотодетектор АФД) Часть вторая
2.2 Структура чипа APD
Разумная структура чипа является основной гарантией высокой производительности устройств. Структурный дизайн APD в основном учитывает постоянную времени RC, захват дырки в гетеропереходе, время прохождения носителей через область обеднения и так далее. Развитие его структуры кратко изложено ниже:
(1) Базовая структура
Простейшая структура APD основана на PIN-фотодиоде, P-область и N-область сильно легированы, а область двойного отталкивания N-типа или P-типа введена в соседнюю P-область или N-область для генерации вторичных электронов и дырок. пары, чтобы реализовать усиление первичного фототока. Для материалов серии InP, поскольку коэффициент ионизации дырочным ударом больше, чем коэффициент ионизации электронным ударом, область усиления легирования N-типа обычно помещается в область P. В идеальной ситуации в область усиления инжектируются только дырки, поэтому такая структура называется структурой с инжекцией дырок.
(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) Структуры поглощения, градиента и усиления (SAGM) предложены соответственно.
В настоящее время в большинстве коммерческих устройств APD используется материал InP/InGaAs, InGaAs в качестве поглощающего слоя, InP в сильном электрическом поле (> 5x105 В/см) без пробоя может использоваться в качестве материала зоны усиления. Для данного материала конструкция ЛФД заключается в том, что в InP N-типа лавинный процесс формируется за счет столкновения дырок. Учитывая большую разницу в запрещенной зоне между InP и InGaAs, разница энергетических уровней в валентной зоне около 0,4 эВ приводит к тому, что дырки, генерируемые в поглощающем слое InGaAs, блокируются на краю гетероперехода, прежде чем они достигнут слоя умножителя InP, и скорость значительно возрастает. уменьшено, что приводит к увеличению времени отклика и узкой полосе пропускания этого APD. Эту проблему можно решить, добавив переходный слой InGaAsP между двумя материалами.
(4) Структуры поглощения, градиента, заряда и усиления (SAGCM) предложены соответственно.
Чтобы дополнительно регулировать распределение электрического поля поглощающего слоя и усиливающего слоя, в конструкцию устройства вводится зарядовый слой, что значительно повышает скорость и отзывчивость устройства.
(5) Структура SAGCM с усиленным резонатором (RCE)
В приведенной выше оптимальной конструкции традиционных детекторов мы должны признать тот факт, что толщина слоя поглощения является противоречивым фактором для быстродействия устройства и квантовой эффективности. Небольшая толщина поглощающего слоя может сократить время прохождения несущей, что позволяет 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 стать структура резонансной полости (RCE), то есть распределенный брэгговский отражатель (DBR) спроектирован в нижней и верхней части устройства. Зеркало DBR состоит из двух типов материалов с низким показателем преломления и высоким показателем преломления по структуре, и оба растут поочередно, а толщина каждого слоя соответствует длине волны падающего света, равной 1/4 в полупроводнике. Резонаторная структура детектора может соответствовать требованиям по скорости, толщина поглощающего слоя может быть сделана очень тонкой, а квантовая эффективность электрона увеличивается после нескольких отражений.
(6) Волноводная структура с краевой связью (WG-APD).
Другим решением, позволяющим решить противоречие, связанное с различным влиянием толщины поглощающего слоя на скорость устройства и квантовую эффективность, является введение волноводной структуры с краевой связью. В эту структуру свет попадает сбоку, поскольку поглощающий слой очень длинный, легко получить высокую квантовую эффективность, и в то же время поглощающий слой можно сделать очень тонким, уменьшая время прохождения носителей. Таким образом, эта структура решает различную зависимость ширины полосы пропускания и эффективности от толщины поглощающего слоя и, как ожидается, обеспечит высокую скорость и высокую квантовую эффективность APD. Процесс WG-APD проще, чем процесс RCE APD, что исключает сложный процесс подготовки зеркала DBR. Следовательно, это более осуществимо на практике и подходит для оптического соединения в общей плоскости.
3. Заключение
Развитие лавиныфотодетекторрассмотрены материалы и устройства. Скорость ионизации электронов и дырок в материалах InP близка к скорости ионизации InAlAs, что приводит к двойному процессу двух симбионов-носителей, что увеличивает время построения лавины и увеличивает шум. По сравнению с чистыми материалами InAlAs, структуры с квантовыми ямами InGaAs(P)/InAlAs и In(Al)GaAs/InAlAs имеют увеличенное соотношение коэффициентов столкновительной ионизации, поэтому шумовые характеристики могут быть значительно изменены. С точки зрения структуры, структура SAGCM с усиленным резонатором (RCE) и волноводная структура с краевой связью (WG-APD) разработаны для решения противоречий, связанных с различным влиянием 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.