Prinsippet og den nåværende situasjonen forskredfotodetektor (APD-fotodetektorDel to
2.2 APD-brikkestruktur
En rimelig brikkestruktur er den grunnleggende garantien for høyytelsesenheter. Den strukturelle utformingen av APD tar hovedsakelig hensyn til RC-tidskonstant, hullfangst ved heterojunksjon, bærerens transittid gjennom uttømmingsområdet og så videre. Utviklingen av strukturen er oppsummert nedenfor:
(1) Grunnleggende struktur
Den enkleste APD-strukturen er basert på PIN-fotodioden, der P-regionen og N-regionen er kraftig dopet, og N-type eller P-type dobbeltfrastøtende region introduseres i den tilstøtende P-regionen eller N-regionen for å generere sekundære elektroner og hullpar, for å realisere forsterkning av den primære fotostrømmen. For InP-seriematerialer, fordi hullstøtioniseringskoeffisienten er større enn elektronstøtioniseringskoeffisienten, plasseres forsterkningsregionen for N-type doping vanligvis i P-regionen. I en ideell situasjon injiseres bare hull i forsterkningsregionen, så denne strukturen kalles en hullinjisert struktur.
(2) Absorpsjon og forsterkning skilles
På grunn av de brede båndgapegenskapene til InP (InP er 1,35 eV og InGaAs er 0,75 eV), brukes InP vanligvis som forsterkningssonemateriale og InGaAs som absorpsjonssonemateriale.
(3) Absorpsjons-, gradient- og forsterkningsstrukturene (SAGM) foreslås henholdsvis
For tiden bruker de fleste kommersielle APD-enheter InP/InGaAs-materiale. InGaAs som absorpsjonslag, og InP kan brukes som forsterkningssonemateriale under høyt elektrisk felt (>5x105V/cm) uten gjennombrudd. For dette materialet er APD-en utformet slik at skredprosessen dannes i N-type InP ved kollisjon av hull. Med tanke på den store forskjellen i båndgapet mellom InP og InGaAs, gjør energinivåforskjellen på omtrent 0,4 eV i valensbåndet at hullene som genereres i InGaAs-absorpsjonslaget blokkeres ved heterojunksjonskanten før de når InP-multiplikatorlaget, og hastigheten reduseres kraftig, noe som resulterer i lang responstid og smal båndbredde for denne APD-en. Dette problemet kan løses ved å legge til et InGaAsP-overgangslag mellom de to materialene.
(4) Absorpsjons-, gradient-, ladnings- og forsterkningsstrukturene (SAGCM) foreslås henholdsvis
For å justere den elektriske feltfordelingen i absorpsjonslaget og forsterkningslaget ytterligere, introduseres ladningslaget i enhetsdesignet, noe som forbedrer enhetens hastighet og responsivitet betraktelig.
(5) Resonatorforbedret (RCE) SAGCM-struktur
I den ovennevnte optimale utformingen av tradisjonelle detektorer må vi innse at tykkelsen på absorpsjonslaget er en motstridende faktor for enhetens hastighet og kvanteeffektivitet. Den tynne tykkelsen på det absorberende laget kan redusere bærerens transittid, slik at en stor båndbredde kan oppnås. Samtidig, for å oppnå høyere kvanteeffektivitet, må imidlertid absorpsjonslaget ha tilstrekkelig tykkelse. Løsningen på dette problemet kan være resonant cavity (RCE)-strukturen, det vil si at den distribuerte Bragg-reflektoren (DBR) er utformet på bunnen og toppen av enheten. DBR-speilet består av to typer materialer med lav brytningsindeks og høy brytningsindeks i struktur, og de to vokser vekselvis, og tykkelsen på hvert lag møter den innfallende lysbølgelengden 1/4 i halvlederen. Detektorens resonatorstruktur kan oppfylle hastighetskravene, tykkelsen på absorpsjonslaget kan gjøres veldig tynn, og kvanteeffektiviteten til elektronet økes etter flere refleksjoner.
(6) Kantkoblet bølgelederstruktur (WG-APD)
En annen løsning for å løse motsetningen mellom ulike effekter av absorpsjonslagets tykkelse på enhetens hastighet og kvanteeffektivitet er å introdusere en kantkoblet bølgelederstruktur. Denne strukturen kommer inn i lyset fra siden, fordi absorpsjonslaget er veldig langt, er det enkelt å oppnå høy kvanteeffektivitet, og samtidig kan absorpsjonslaget gjøres veldig tynt, noe som reduserer bærebølgens transittid. Derfor løser denne strukturen den ulike avhengigheten av båndbredde og effektivitet på tykkelsen på absorpsjonslaget, og forventes å oppnå høy hastighet og høy kvanteeffektivitet APD. Prosessen med WG-APD er enklere enn RCE APD, noe som eliminerer den kompliserte forberedelsesprosessen for DBR-speilet. Derfor er den mer gjennomførbar i det praktiske feltet og egnet for optisk tilkobling i fellesplan.
3. Konklusjon
Utviklingen av snøskredfotodetektorMaterialer og enheter gjennomgås. Elektron- og hullkollisjonsioniseringsratene for InP-materialer er nær de for InAlAs, noe som fører til den doble prosessen med de to bærersymbionene, noe som gjør at skredbyggingstiden forlenges og støyen øker. Sammenlignet med rene InAlAs-materialer har kvantebrønnstrukturer for InGaAs (P)/InAlAs og In (Al)GaAs/InAlAs et økt forhold mellom kollisjonsioniseringskoeffisienter, slik at støyytelsen kan endres betraktelig. Når det gjelder struktur, er resonatorforsterket (RCE) SAGCM-struktur og kantkoblet bølgelederstruktur (WG-APD) utviklet for å løse motsetningene mellom ulike effekter av absorpsjonslagtykkelse på enhetshastighet og kvanteeffektivitet. På grunn av prosessens kompleksitet må den fulle praktiske anvendelsen av disse to strukturene utforskes ytterligere.
Publisert: 14. november 2023