Принцип та поточна ситуаціялавинний фотодетектор (Фотодетектор APD) Частина друга
2.2 Структура мікросхеми APD
Розумна структура кристала є основною гарантією високої продуктивності пристроїв. Структурна конструкція ламінованого фотодіода (ЛФД) в основному враховує постійну часу RC, захоплення дірок на гетеропереході, час проходження носіїв заряду через область виснаження тощо. Розробка його структури коротко описана нижче:
(1) Базова структура
Найпростіша структура ламінованого фотодіода (ЛАФ) базується на PIN-фотодіоді, P-область та N-область сильно леговані, а в сусідню P-область або N-область введена область подвійного відштовхування N-типу або P-типу для генерації вторинних електронів та пар дірок, що дозволяє реалізувати посилення первинного фотоструму. Для матеріалів серії InP, оскільки коефіцієнт іонізації дірок ударом більший, ніж коефіцієнт іонізації електронним ударом, область посилення легування N-типу зазвичай розміщується в P-області. В ідеальному випадку в область посилення інжектуються лише дірки, тому така структура називається структурою з інжектуванням дірок.
(2) Поглинання та посилення розрізняють
Через широку заборонену зону InP (InP становить 1,35 еВ, а InGaAs – 0,75 еВ), InP зазвичай використовується як матеріал зони посилення, а InGaAs – як матеріал зони поглинання.
(3) Запропоновано відповідно структури поглинання, градієнта та посилення (SAGM)
Наразі більшість комерційних пристроїв лавинного фотодіода (ЛАФД) використовують матеріал InP/InGaAs як поглинальний шар. InGaAs може бути використаний як матеріал зони посилення під впливом високого електричного поля (>5x105V/cm) без пробою. Конструкція ЛАФД полягає в тому, що процес лавини формується в InP N-типу внаслідок зіткнення дірок. Враховуючи велику різницю в ширині забороненої зони між InP та InGaAs, різниця енергетичних рівнів близько 0,4eV у валентній зоні призводить до блокування дірок, що генеруються в поглинальному шарі InGaAs, на краю гетеропереходу до досягнення помножувального шару InP, і швидкість значно знижується, що призводить до тривалого часу відгуку та вузької смуги пропускання цього ЛАФД. Цю проблему можна вирішити, додавши перехідний шар InGaAsP між двома матеріалами.
(4) Запропоновано відповідно структури поглинання, градієнта, заряду та посилення (SAGCM)
Для подальшого регулювання розподілу електричного поля шару поглинання та шару посилення в конструкцію пристрою введено шар заряду, що значно покращує швидкість роботи та швидкість реагування пристрою.
(5) Структура SAGCM з резонаторним покращенням (RCE)
У вищезгаданій оптимальній конструкції традиційних детекторів ми маємо зіткнутися з тим фактом, що товщина поглинального шару є суперечливим фактором для швидкості пристрою та квантової ефективності. Тонка товщина поглинального шару може зменшити час проходження носіїв заряду, що дозволяє отримати велику смугу пропускання. Однак, водночас, для досягнення вищої квантової ефективності, поглинальний шар повинен мати достатню товщину. Рішенням цієї проблеми може бути структура резонансного резонатора (RCE), тобто розподілений брэгівський відбивач (DBR) розроблений у нижній та верхній частинах пристрою. Дзеркало DBR складається з двох видів матеріалів з низьким та високим показником заломлення, причому обидва зростають по черзі, а товщина кожного шару відповідає довжині хвилі падаючого світла 1/4 у напівпровіднику. Резонаторна структура детектора може задовольнити вимоги до швидкості, товщину поглинального шару можна зробити дуже тонкою, а квантова ефективність електрона збільшується після кількох відбиттів.
(6) Структура хвилеводу з реберним зв'язком (WG-APD)
Іншим рішенням для вирішення суперечності різного впливу товщини поглинального шару на швидкість пристрою та квантову ефективність є впровадження структури хвилеводу з реберним зв'язком. Ця структура потрапляє на світло збоку, оскільки поглинальний шар дуже довгий, легко досягти високої квантової ефективності, і водночас поглинальний шар можна зробити дуже тонким, зменшуючи час проходження носіїв заряду. Таким чином, ця структура вирішує проблему різної залежності смуги пропускання та ефективності від товщини поглинального шару та очікується досягнення високошвидкісного та висококвантового лазерного фотодіода (ЛАФД). Процес WG-ЛАФД простіший, ніж процес RCE ЛАФД, що усуває складний процес виготовлення дзеркала DBR. Тому він більш доцільний на практиці та підходить для оптичного з'єднання із загальною площиною.
3. Висновок
Розвиток лавинифотодетекторУ цьому огляді розглядаються матеріали та пристрої. Швидкості іонізації електронів та дірок внаслідок зіткнень матеріалів InP близькі до швидкості іонізації InAlAs, що призводить до подвійного процесу двох симбіонів носіїв заряду, що збільшує час нарощування лавини та збільшує шум. Порівняно з чистими матеріалами InAlAs, квантові структури InGaAs (P) /InAlAs та In (Al) GaAs / InAlAs мають збільшене співвідношення коефіцієнтів іонізації внаслідок зіткнень, тому шумові характеристики можуть значно змінюватися. Що стосується структури, то для вирішення суперечностей, пов'язаних з різним впливом товщини поглинального шару на швидкість роботи пристрою та квантову ефективність, було розроблено структуру SAGCM з резонаторним посиленням (RCE) та структуру хвилеводу з реберним зв'язком (WG-APD). Через складність процесу, потребує подальшого вивчення повного практичного застосування цих двох структур.
Час публікації: 14 листопада 2023 р.