Принцип і сучасний стан лавинного фотоприймача (ФПД фотоприймача). Частина друга

Принцип і сучасний станлавинний фотодетектор (Фотодетектор APD) Частина друга

2.2 Структура мікросхеми APD
Розумна структура мікросхеми є основною гарантією високопродуктивних пристроїв. Структурний дизайн APD в основному враховує постійну часу RC, захоплення дірок на гетеропереході, час проходження носія через область виснаження тощо. Розвиток його структури підсумовано нижче:

(1) Базова структура
Найпростіша структура APD заснована на фотодіоді PIN, P-область і N-область сильно леговані, а N-тип або подвійно відштовхувальна область P-типу введена в сусідню P-область або N-область для генерування вторинних електронів і дірок пар, щоб реалізувати посилення первинного фотоструму. Для матеріалів серії InP, оскільки коефіцієнт іонізації дірковим ударом більший, ніж коефіцієнт іонізації електронним ударом, область посилення легування N-типу зазвичай розміщується в області P. В ідеальній ситуації в область посилення вводяться лише дірки, тому ця структура називається структурою з введенням дірок.

(2) Розрізняють поглинання та посилення
Завдяки характеристикам широкої забороненої зони 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 структуру поглинання, градієнта та посилення (SAGM).
Наразі більшість комерційних пристроїв APD використовують матеріал InP/InGaAs, InGaAs як шар поглинання, InP під сильним електричним полем (>5x105 В/см) без пробою можна використовувати як матеріал зони посилення. Для цього матеріалу конструкція цього APD полягає в тому, що лавинний процес утворюється в InP N-типу шляхом зіткнення дірок. Враховуючи велику різницю в забороненій зоні між InP та InGaAs, різниця рівнів енергії приблизно в 0,4 еВ у валентній зоні призводить до того, що дірки, утворені в шарі поглинання InGaAs, блокуються на краю гетеропереходу перед досягненням шару помножувача InP, і швидкість значно зростає. зменшується, що призводить до тривалого часу відгуку та вузької смуги пропускання цього APD. Цю проблему можна вирішити шляхом додавання перехідного шару InGaAsP між двома матеріалами.

(4) Запропоновані відповідно структури поглинання, градієнта, заряду та підсилення (SAGCM).
Для подальшого регулювання розподілу електричного поля шару поглинання та шару підсилення в конструкцію пристрою введено шар заряду, що значно покращує швидкість та чутливість пристрою.

(5) Покращена резонатором (RCE) структура SAGCM
У наведеній вище оптимальній конструкції традиційних детекторів ми повинні зіткнутися з тим фактом, що товщина шару поглинання є суперечливим фактором для швидкості пристрою та квантової ефективності. Тонка товщина поглинаючого шару може зменшити час проходження носія, тому можна отримати велику смугу пропускання. Однак, в той же час, для отримання вищої квантової ефективності шар поглинання повинен мати достатню товщину. Рішенням цієї проблеми може бути структура резонансної порожнини (RCE), тобто розподілений рефлектор Брегга (DBR), розроблений у нижній і верхній частині пристрою. Дзеркало DBR складається з двох видів матеріалів з низьким і високим показником заломлення за структурою, і обидва ростуть по черзі, а товщина кожного шару відповідає 1/4 довжини хвилі падаючого світла в напівпровіднику. Структура резонатора детектора може відповідати вимогам швидкості, товщина шару поглинання може бути зроблена дуже тонкою, а квантова ефективність електрона збільшується після кількох відображень.

(6) Структура хвилеводу зі зв’язком по краях (WG-APD)
Іншим рішенням для вирішення протиріччя різних впливів товщини шару поглинання на швидкість пристрою та квантову ефективність є впровадження структури хвилеводу з краєвим зв’язком. Ця структура потрапляє на світло збоку, оскільки шар поглинання дуже довгий, легко отримати високу квантову ефективність, і в той же час шар поглинання можна зробити дуже тонким, зменшуючи час проходження носія. Таким чином, ця структура вирішує різну залежність пропускної здатності та ефективності від товщини поглинаючого шару, і очікується досягнення високої швидкості та високої квантової ефективності APD. Процес WG-APD простіший, ніж процес RCE APD, що усуває складний процес підготовки дзеркала DBR. Таким чином, це більш здійсненно на практиці та підходить для загального оптичного з’єднання.

3. Висновок
Розвиток лавинифотодетектороглядаються матеріали та прилади. Швидкість іонізації матеріалів InP при зіткненні електронів і дірок близька до іонізації InAlAs, що призводить до подвійного процесу двох симбіонів-носіїв, що подовжує час утворення лавини та збільшує шум. Порівняно з чистими матеріалами InAlAs, структури квантових ям InGaAs (P)/InAlAs та In (Al) GaAs/InAlAs мають збільшене співвідношення коефіцієнтів іонізації при зіткненні, тому рівень шуму може бути значно змінений. З точки зору структури, розроблено резонаторно покращену (RCE) структуру SAGCM і структуру хвилеводу з краєвим зв’язком (WG-APD), щоб вирішити протиріччя різних впливів товщини шару поглинання на швидкість пристрою та квантову ефективність. Через складність процесу повне практичне застосування цих двох структур потребує подальшого вивчення.