Principas ir dabartinė situacijalavinos fotodetektorius (APD fotodetektorius) Antra dalis
2.2 APD mikroschemos struktūra
Protinga mikroschemos struktūra yra pagrindinė didelio našumo įrenginių garantija. APD struktūrinis projektavimas daugiausia atsižvelgia į RC laiko konstantą, skylių užfiksavimą heterosandūroje, krūvininkų tranzito laiką per išeikvojimo sritį ir kt. Jos struktūros plėtra apibendrinta toliau:
(1) Pagrindinė struktūra
Paprasčiausia APD struktūra pagrįsta PIN fotodiodu, P ir N sritys yra stipriai legiruotos, o gretimoje P arba N srityje įvedama N arba P tipo dvigubai atstumianti sritis, kad būtų generuojami antriniai elektronai ir skylių poros, taip sustiprinant pirminę fotosrovę. InP serijos medžiagoms, kadangi skylės smūgio jonizacijos koeficientas yra didesnis nei elektronų smūgio jonizacijos koeficientas, N tipo legiravimo stiprinimo sritis paprastai yra P srityje. Idealiu atveju į stiprinimo sritį įpurškiamos tik skylės, todėl ši struktūra vadinama skylių įpurškimo struktūra.
(2) Skiriami sugertis ir stiprinimas
Dėl plataus InP draudžiamojo tarpo charakteristikų (InP yra 1,35 eV, o InGaAs – 0,75 eV), InP dažniausiai naudojamas kaip stiprinimo zonos medžiaga, o InGaAs – kaip sugerties zonos medžiaga.
(3) Atitinkamai siūlomos sugerties, gradiento ir stiprinimo (SAGM) struktūros.
Šiuo metu dauguma komercinių APD įtaisų naudoja InP/InGaAs medžiagą, InGaAs kaip sugerties sluoksnį, InP, veikiant stipriam elektriniam laukui (>5x105V/cm) be pramušimo, gali būti naudojamas kaip stiprinimo zonos medžiaga. Šios medžiagos APD konstrukcija yra tokia, kad N tipo InP skylių susidūrimo metu susidaro lavinos procesas. Atsižvelgiant į didelį draudžiamosios juostos skirtumą tarp InP ir InGaAs, maždaug 0,4 eV energijos lygio skirtumas valentingoje juostoje užblokuoja InGaAs sugerties sluoksnyje susidariusias skyles heterosandūros krašte prieš pasiekiant InP daugiklio sluoksnį, o greitis labai sumažėja, todėl šio APD atsako laikas yra ilgas, o pralaidumas siauras. Šią problemą galima išspręsti tarp dviejų medžiagų pridedant InGaAsP pereinamąjį sluoksnį.
(4) Atitinkamai siūlomos sugerties, gradiento, krūvio ir stiprinimo (SAGCM) struktūros.
Siekiant dar labiau reguliuoti sugerties sluoksnio ir stiprinimo sluoksnio elektrinio lauko pasiskirstymą, į įrenginio konstrukciją įvedamas įkrovimo sluoksnis, kuris labai pagerina įrenginio greitį ir reagavimą.
(5) Rezonatoriumi sustiprinta (RCE) SAGCM struktūra
Aukščiau pateiktame optimaliame tradicinių detektorių projekte turime susidurti su tuo, kad sugerties sluoksnio storis yra prieštaringas veiksnys įrenginio greičiui ir kvantiniam efektyvumui. Plonas sugerties sluoksnio storis gali sumažinti nešiklio tranzito laiką, todėl galima gauti didelį pralaidumą. Tačiau tuo pačiu metu, norint gauti didesnį kvantinį efektyvumą, sugerties sluoksnis turi būti pakankamo storio. Šios problemos sprendimas gali būti rezonansinės ertmės (RCE) struktūra, t. y. paskirstytas Brego reflektorius (DBR) yra suprojektuotas įrenginio apačioje ir viršuje. DBR veidrodis sudarytas iš dviejų rūšių medžiagų, turinčių mažą ir didelį lūžio rodiklį, ir abi jos auga pakaitomis, o kiekvieno sluoksnio storis atitinka puslaidininkyje esančios šviesos bangos ilgį 1/4. Detektoriaus rezonatoriaus struktūra gali atitikti greičio reikalavimus, sugerties sluoksnio storis gali būti labai plonas, o elektrono kvantinis efektyvumas padidėja po kelių atspindžių.
(6) Briaunomis sujungta bangolaidžio struktūra (WG-APD)
Kitas sprendimas, kaip išspręsti skirtingo sugerties sluoksnio storio poveikio įrenginio greičiui ir kvantiniam efektyvumui prieštaravimą, yra briaunomis sujungtos bangolaidžio struktūros įvedimas. Ši struktūra šviesą įleidžia iš šono, nes sugerties sluoksnis yra labai ilgas, todėl lengva pasiekti didelį kvantinį efektyvumą, o tuo pačiu metu sugerties sluoksnis gali būti labai plonas, taip sumažinant nešiklio tranzito laiką. Todėl ši struktūra išsprendžia skirtingą pralaidumo ir efektyvumo priklausomybę nuo sugerties sluoksnio storio ir tikimasi pasiekti didelį greitį ir didelį kvantinį efektyvumą pasižymintį APD. WG-APD procesas yra paprastesnis nei RCE APD, todėl nereikia sudėtingo DBR veidrodžio paruošimo proceso. Todėl jis yra labiau įgyvendinamas praktinėje srityje ir tinka bendros plokštumos optiniam sujungimui.
3. Išvada
Lavinos vystymasisfotodetektoriusApžvelgiamos medžiagos ir įtaisai. InP medžiagų elektronų ir skylių susidūrimų jonizacijos greičiai yra artimi InAlAs greičiams, todėl vyksta dvigubas dviejų krūvininkų simbionų procesas, dėl kurio lavinos susidarymo laikas pailgėja, o triukšmas padidėja. Palyginti su grynomis InAlAs medžiagomis, InGaAs (P) /InAlAs ir In (Al) GaAs / InAlAs kvantinių šulinių struktūros turi padidintą susidūrimų jonizacijos koeficientų santykį, todėl triukšmo charakteristikos gali labai pasikeisti. Kalbant apie struktūrą, rezonatoriumi sustiprinta (RCE) SAGCM struktūra ir briaunomis sujungta bangolaidžio struktūra (WG-APD) buvo sukurtos siekiant išspręsti skirtingo sugerties sluoksnio storio poveikio įrenginio greičiui ir kvantiniam efektyvumui prieštaravimus. Dėl proceso sudėtingumo reikia toliau tirti visapusišką šių dviejų struktūrų praktinį pritaikymą.
Įrašo laikas: 2023 m. lapkričio 14 d.