Načelo in trenutno stanjeplazovni fotodetektor (APD fotodetektor) Drugi del
2.2 Struktura čipa APD
Razumna struktura čipa je osnovno zagotovilo za visokozmogljive naprave. Strukturna zasnova APD upošteva predvsem časovno konstanto RC, zajem vrzeli na heterospoju, čas prehoda nosilcev naboja skozi območje osiromašenja in tako naprej. Razvoj strukture je povzet spodaj:
(1) Osnovna struktura
Najenostavnejša struktura APD temelji na PIN fotodiodi, pri čemer sta območju P in N močno dopirani, v sosednje območje P ali območje N pa je vstavljeno dvojno odbojno območje N ali P tipa, ki ustvarja sekundarne elektrone in pare vrzeli ter tako doseže ojačanje primarnega fototoka. Pri materialih serije InP je območje ojačanja dopiranega tipa N običajno nameščeno v območju P, ker je koeficient ionizacije udara lukenj večji od koeficienta ionizacije udara elektronov. V idealnem primeru se v območje ojačanja vbrizgajo samo luknje, zato se ta struktura imenuje struktura z vbrizgavanjem lukenj.
(2) Razlikujemo absorpcijo in ojačanje
Zaradi široke pasovne reže InP (InP je 1,35 eV in InGaAs je 0,75 eV) se InP običajno uporablja kot material ojačanja, InGaAs pa kot material absorpcijskega območja.
(3) Predlagane so absorpcijske, gradientne in ojačane (SAGM) strukture.
Trenutno večina komercialnih APD naprav uporablja material InP/InGaAs, pri čemer se InGaAs uporablja kot absorpcijska plast, ki se lahko pod visokim električnim poljem (> 5x105V/cm) brez preboja uporabi kot material za ojačanje. Pri tem materialu je zasnova tega APD taka, da se proces plazov tvori v InP tipa N zaradi trka lukenj. Glede na veliko razliko v pasovni vrzeli med InP in InGaAs, razlika v energijskih nivojih približno 0,4 eV v valentnem pasu povzroči, da se luknje, ki nastanejo v absorpcijski plasti InGaAs, ovirajo na robu heterospoja, preden dosežejo množilno plast InP, in hitrost se močno zmanjša, kar ima za posledico dolg odzivni čas in ozko pasovno širino tega APD. To težavo je mogoče rešiti z dodajanjem prehodne plasti InGaAsP med oba materiala.
(4) Predlagane so strukture absorpcije, gradienta, naboja in ojačanja (SAGCM)
Za nadaljnjo prilagoditev porazdelitve električnega polja absorpcijske plasti in ojačevalne plasti je v zasnovo naprave uvedena nabojna plast, kar močno izboljša hitrost in odzivnost naprave.
(5) Struktura SAGCM z resonatorjem in izboljšanim resonatorjem (RCE)
Pri zgoraj opisani optimalni zasnovi tradicionalnih detektorjev se moramo soočiti z dejstvom, da je debelina absorpcijske plasti protisloven dejavnik za hitrost naprave in kvantno učinkovitost. Tanka debelina absorpcijske plasti lahko zmanjša čas prehoda nosilca naboja, kar omogoča doseganje velike pasovne širine. Hkrati pa mora imeti absorpcijska plast zadostno debelino za doseganje večje kvantne učinkovitosti. Rešitev te težave je lahko struktura resonančne votline (RCE), to je porazdeljeni Bragg-ov reflektor (DBR), ki je zasnovan na dnu in vrhu naprave. Zrcalo DBR je sestavljeno iz dveh vrst materialov z nizkim in visokim lomnim količnikom v strukturi, ki rasteta izmenično, debelina vsake plasti pa ustreza valovni dolžini vpadne svetlobe 1/4 v polprevodniku. Resonatorska struktura detektorja lahko izpolnjuje zahteve glede hitrosti, debelina absorpcijske plasti je lahko zelo tanka, kvantna učinkovitost elektrona pa se po več odbojih poveča.
(6) Robno sklopljena valovodna struktura (WG-APD)
Druga rešitev za reševanje protislovja različnih vplivov debeline absorpcijske plasti na hitrost naprave in kvantno učinkovitost je uvedba robno sklopljene valovodne strukture. Ta struktura vstopa v svetlobo s strani, ker je absorpcijska plast zelo dolga, je enostavno doseči visoko kvantno učinkovitost, hkrati pa je absorpcijska plast lahko zelo tanka, kar zmanjša čas prehoda nosilca. Zato ta struktura rešuje različno odvisnost pasovne širine in učinkovitosti od debeline absorpcijske plasti ter naj bi dosegla visoko hitrost in visoko kvantno učinkovitost APD. Postopek WG-APD je enostavnejši od postopka RCE APD, kar odpravlja zapleten postopek priprave zrcala DBR. Zato je v praksi bolj izvedljiv in primeren za optično povezavo s skupno ravnino.
3. Zaključek
Razvoj plazovfotodetektorPregledan je članek o materialih in napravah. Stopnje ionizacije elektronov in lukenj v materialih InP so blizu stopnjam InAlAs, kar vodi do dvojnega procesa dveh nosilnih simbionov, zaradi česar se čas nabiranja plazu podaljša in šum se poveča. V primerjavi s čistimi materiali InAlAs imajo kvantne jamske strukture InGaAs (P) /InAlAs in In (Al) GaAs / InAlAs povečano razmerje koeficientov ionizacije v trkih, zato se lahko šumna učinkovitost močno spremeni. Kar zadeva strukturo, sta bili razviti resonatorsko izboljšana (RCE) struktura SAGCM in robno sklopljena valovodna struktura (WG-APD), da bi rešili protislovja različnih vplivov debeline absorpcijske plasti na hitrost naprave in kvantno učinkovitost. Zaradi kompleksnosti postopka je treba nadalje raziskati celotno praktično uporabo teh dveh struktur.
Čas objave: 14. november 2023