Принципі және қазіргі жағдайыкөшкін фотодетекторы (APD фотодетекторыЕкінші бөлім
2.2 APD чипінің құрылымы
Ақылға қонымды чип құрылымы жоғары өнімді құрылғылардың негізгі кепілі болып табылады. APD құрылымдық дизайны негізінен RC уақыт тұрақтысын, гетероөткізгіштегі тесікті ұстап алуды, сарқылу аймағы арқылы тасымалдаушының өту уақытын және т.б. ескереді. Оның құрылымының дамуы төменде қысқаша сипатталған:
(1) Негізгі құрылым
Ең қарапайым APD құрылымы PIN фотодиодына негізделген, P аймағы мен N аймағы қатты легирленген, ал N типті немесе P типті қос репеллент аймағы көршілес P аймағына немесе N аймағына енгізіліп, екінші реттік электрондар мен тесік жұптарын генерациялайды, осылайша бастапқы фототоктың күшеюін жүзеге асырады. InP сериялы материалдар үшін тесік соққысының иондану коэффициенті электрон соққысының иондану коэффициентінен үлкен болғандықтан, N типті легирлеудің күшейту аймағы әдетте P аймағына орналастырылады. Идеал жағдайда күшейту аймағына тек тесіктер енгізіледі, сондықтан бұл құрылым тесік енгізілген құрылым деп аталады.
(2) Абсорбция және күшейту ажыратылады
InP кең жолақ саңылауының сипаттамаларына байланысты (InP 1,35 эВ және InGaAs 0,75 эВ), InP әдетте күшейту аймағының материалы ретінде, ал InGaAs сіңіру аймағының материалы ретінде қолданылады.
(3) Жұтылу, градиент және күшейту (SAGM) құрылымдары сәйкесінше ұсынылады
Қазіргі уақытта коммерциялық APD құрылғыларының көпшілігі InP/InGaAs материалын пайдаланады, сіңіру қабаты ретінде InGaAs, жоғары электр өрісі кезіндегі (>5x105В/см3) InP бұзылмай, күшейту аймағының материалы ретінде пайдаланылуы мүмкін. Бұл материал үшін бұл APD дизайны N-типті InP-де көшкін процесі тесіктердің соқтығысуы арқылы пайда болады. InP және InGaAs арасындағы тыйым салынған аймақтың үлкен айырмашылығын ескере отырып, валенттік аймақтағы энергия деңгейінің шамамен 0,4 эВ айырмашылығы InGaAs сіңіру қабатында пайда болған тесіктердің InP көбейткіш қабатына жетпей гетероөткізгіш шетінде бітелуіне әкеледі және жылдамдық айтарлықтай төмендейді, бұл ұзақ жауап уақыты мен тар өткізу қабілеттілігіне әкеледі. Бұл мәселені екі материалдың арасына InGaAsP өтпелі қабатын қосу арқылы шешуге болады.
(4) Жұтылу, градиент, заряд және күшейту (SAGCM) құрылымдары сәйкесінше ұсынылады
Абсорбция қабаты мен күшейту қабатының электр өрісінің таралуын одан әрі реттеу үшін құрылғының дизайнына заряд қабаты енгізіледі, бұл құрылғының жылдамдығы мен жауап беру қабілетін айтарлықтай жақсартады.
(5) Резонатормен күшейтілген (RCE) SAGCM құрылымы
Жоғарыда аталған дәстүрлі детекторлардың оңтайлы дизайнында біз жұтылу қабатының қалыңдығы құрылғы жылдамдығы мен кванттық тиімділігі үшін қарама-қайшы фактор екенін мойындауымыз керек. Жұтылу қабатының жұқа қалыңдығы тасымалдаушының өту уақытын қысқартуы мүмкін, сондықтан үлкен өткізу қабілеттілігін алуға болады. Дегенмен, сонымен бірге, жоғары кванттық тиімділікке қол жеткізу үшін жұтылу қабатының жеткілікті қалыңдығы болуы керек. Бұл мәселенің шешімі резонанстық қуыс (RCE) құрылымы болуы мүмкін, яғни құрылғының төменгі және жоғарғы жағында таратылған Брэгг рефлекторы (DBR) жасалған. DBR айнасы құрылымы төмен сыну көрсеткіші және жоғары сыну көрсеткіші бар екі түрлі материалдардан тұрады және екеуі кезектесіп өседі, және әр қабаттың қалыңдығы жартылай өткізгіштегі түсетін жарықтың толқын ұзындығының 1/4 бөлігіне сәйкес келеді. Детектордың резонаторлық құрылымы жылдамдық талаптарына сәйкес келеді, жұтылу қабатының қалыңдығын өте жұқа етуге болады, ал электронның кванттық тиімділігі бірнеше шағылысудан кейін артады.
(6) Жиекпен байланысқан толқын өткізгіш құрылым (WG-APD)
Абсорбция қабаты қалыңдығының құрылғы жылдамдығы мен кванттық тиімділікке әртүрлі әсер етуінің қайшылықтарын шешудің тағы бір шешімі - жиекпен байланысқан толқын өткізгіш құрылымын енгізу. Бұл құрылым жарыққа бүйірден енеді, себебі абсорбция қабаты өте ұзын, жоғары кванттық тиімділікке қол жеткізу оңай, сонымен бірге абсорбция қабатын өте жұқа етіп жасауға болады, бұл тасымалдаушының өту уақытын қысқартады. Сондықтан, бұл құрылым өткізу қабілеті мен тиімділіктің абсорбция қабатының қалыңдығына әртүрлі тәуелділігін шешеді және жоғары жылдамдықты және жоғары кванттық тиімділікке қол жеткізуге мүмкіндік береді деп күтілуде. WG-APD процесі RCE APD процесіне қарағанда қарапайым, бұл DBR айнасының күрделі дайындау процесін жояды. Сондықтан, ол практикалық салада тиімдірек және жалпы жазықтық оптикалық қосылымға жарамды.
3. Қорытынды
Қар көшкінінің дамуыфотодетекторматериалдар мен құрылғылар қарастырылады. InP материалдарының электрондар мен кемтіктердің соқтығысу иондану жылдамдығы InAlAs материалдарына жақын, бұл екі тасымалдаушы симбиондардың қос процесіне әкеледі, бұл көшкіннің пайда болу уақытын ұзартады және шудың жоғарылауына әкеледі. Таза InAlAs материалдарымен салыстырғанда, InGaAs (P) /InAlAs және In (Al) GaAs/InAlAs кванттық ұңғыма құрылымдарында соқтығысу иондану коэффициенттерінің арақатынасы жоғары, сондықтан шу өнімділігін айтарлықтай өзгертуге болады. Құрылым тұрғысынан алғанда, құрылғы жылдамдығы мен кванттық тиімділігіне сіңіру қабатының қалыңдығының әртүрлі әсерлерінің қайшылықтарын шешу үшін резонатормен күшейтілген (RCE) SAGCM құрылымы және жиекпен байланысқан толқын өткізгіш құрылымы (WG-APD) жасалған. Процестің күрделілігіне байланысты бұл екі құрылымның толық практикалық қолданылуын одан әрі зерттеу қажет.
Жарияланған уақыты: 2023 жылғы 14 қараша