Princippet og den nuværende situation vedr.lavinefotodetektor (APD-fotodetektor) Del to
2.2 APD-chipstruktur
En rimelig chipstruktur er den grundlæggende garanti for højtydende enheder. Det strukturelle design af APD tager primært højde for RC-tidskonstant, hulfangst ved heterojunction, bærertransittid gennem udtømningsområdet og så videre. Udviklingen af dens struktur er opsummeret nedenfor:
(1) Grundlæggende struktur
Den enkleste APD-struktur er baseret på PIN-fotodioden, hvor P-regionen og N-regionen er kraftigt doterede, og N-typen eller P-typen dobbeltfrastødende region introduceres i den tilstødende P-region eller N-region for at generere sekundære elektroner og hulpar, hvilket realiserer forstærkningen af den primære fotostrøm. For InP-seriematerialer placeres forstærkningsregionen ved N-type-doping normalt i P-regionen, fordi hulanslagsioniseringskoefficienten er større end elektronanslagsioniseringskoefficienten. I en ideel situation injiceres kun huller i forstærkningsregionen, så denne struktur kaldes en hulinjiceret struktur.
(2) Der skelnes mellem absorption og gain
På grund af InP's brede båndgabskarakteristika (InP er 1,35 eV og InGaAs er 0,75 eV) anvendes InP normalt som forstærkningszonemateriale og InGaAs som absorptionszonemateriale.
(3) Absorptions-, gradient- og forstærkningsstrukturerne (SAGM) foreslås henholdsvis
I øjeblikket bruger de fleste kommercielle APD-enheder InP/InGaAs-materiale. InGaAs er absorptionslag, og InP kan bruges som forstærkningszonemateriale under et højt elektrisk felt (>5x105V/cm) uden gennembrud. For dette materiale er APD'ens design således, at lavineprocessen dannes i N-type InP ved kollision af huller. I betragtning af den store forskel i båndgabet mellem InP og InGaAs, forårsager energiniveauforskellen på omkring 0,4 eV i valensbåndet, at hullerne, der genereres i InGaAs-absorptionslaget, blokeres ved heterojunction-kanten, før de når InP-multiplikatorlaget, og hastigheden reduceres kraftigt, hvilket resulterer i en lang responstid og en smal båndbredde for denne APD. Dette problem kan løses ved at tilføje et InGaAsP-overgangslag mellem de to materialer.
(4) Absorptions-, gradient-, ladnings- og forstærkningsstrukturerne (SAGCM) foreslås henholdsvis
For yderligere at justere den elektriske feltfordeling i absorptionslaget og forstærkningslaget introduceres ladningslaget i enhedens design, hvilket forbedrer enhedens hastighed og reaktionsevne betydeligt.
(5) Resonatorforbedret (RCE) SAGCM-struktur
I det ovennævnte optimale design af traditionelle detektorer må vi se i øjnene, at tykkelsen af absorptionslaget er en modstridende faktor for enhedens hastighed og kvanteeffektivitet. Den tynde tykkelse af det absorberende lag kan reducere bærerens transittid, så der kan opnås en stor båndbredde. Samtidig skal absorptionslaget dog have en tilstrækkelig tykkelse for at opnå højere kvanteeffektivitet. Løsningen på dette problem kan være resonant cavity (RCE) strukturen, dvs. den distribuerede Bragg-reflektor (DBR) er designet i bunden og toppen af enheden. DBR-spejlet består af to slags materialer med lavt brydningsindeks og højt brydningsindeks i struktur, og de to vokser skiftevis, og tykkelsen af hvert lag opfylder den indfaldende lysbølgelængde 1/4 i halvlederen. Detektorens resonatorstruktur kan opfylde hastighedskravene, tykkelsen af absorptionslaget kan gøres meget tynd, og elektronens kvanteeffektivitet øges efter flere refleksioner.
(6) Kantkoblet bølgelederstruktur (WG-APD)
En anden løsning til at løse modsætningen mellem forskellige effekter af absorptionslagets tykkelse på enhedshastighed og kvanteeffektivitet er at introducere en kantkoblet bølgelederstruktur. Denne struktur trænger ind i lyset fra siden, fordi absorptionslaget er meget langt, er det let at opnå høj kvanteeffektivitet, og samtidig kan absorptionslaget gøres meget tyndt, hvilket reducerer bærebølgens transittid. Derfor løser denne struktur de forskellige afhængigheder af båndbredde og effektivitet på absorptionslagets tykkelse og forventes at opnå APD med høj hastighed og høj kvanteeffektivitet. WG-APD-processen er enklere end RCE APD, hvilket eliminerer den komplicerede forberedelsesproces for DBR-spejle. Derfor er den mere praktisk anvendelig og egnet til fællesplanoptisk forbindelse.
3. Konklusion
Udviklingen af lavinerfotodetektorMaterialer og anordninger gennemgås. Elektron- og hulkollisionsioniseringsraterne for InP-materialer er tæt på dem for InAlAs, hvilket fører til den dobbelte proces af de to bærersymbioner, hvilket gør lavineopbygningstiden længere og støjen øget. Sammenlignet med rene InAlAs-materialer har InGaAs (P) /InAlAs og In (Al) GaAs / InAlAs kvantebrøndstrukturer et øget forhold mellem kollisionsioniseringskoefficienter, så støjydelsen kan ændres betydeligt. Med hensyn til struktur er resonatorforstærket (RCE) SAGCM-struktur og kantkoblet bølgelederstruktur (WG-APD) udviklet for at løse modsætningerne mellem forskellige effekter af absorptionslagtykkelse på anordningshastighed og kvanteeffektivitet. På grund af processens kompleksitet skal den fulde praktiske anvendelse af disse to strukturer undersøges yderligere.
Opslagstidspunkt: 14. november 2023