Prinzip und aktueller Stand der Lawinenfotodetektoren (APD-Fotodetektoren) Teil Zwei

Das Prinzip und die gegenwärtige Situation vonLawinenfotodetektor (APD-Fotodetektor) Teil Zwei

2.2 APD-Chipstruktur
Eine sinnvolle Chipstruktur ist die Grundvoraussetzung für leistungsstarke Bauelemente. Beim Strukturdesign von APDs werden hauptsächlich die RC-Zeitkonstante, der Locheinfang an Heteroübergängen, die Ladungsträgertransitzeit durch die Verarmungszone usw. berücksichtigt. Die Entwicklung dieser Struktur wird im Folgenden zusammengefasst:

(1) Grundstruktur
Die einfachste APD-Struktur basiert auf der PIN-Photodiode. Die P- und N-Zonen sind hochdotiert, und in die angrenzenden P- bzw. N-Zonen wird eine doppelt abstoßende N- oder P-Zone eingeführt, um Sekundärelektronen-Loch-Paare zu erzeugen und so den primären Photostrom zu verstärken. Bei InP-Materialien ist der Stoßionisationskoeffizient von Löchern höher als der von Elektronen. Daher befindet sich die Verstärkungszone mit N-Dotierung üblicherweise in der P-Zone. Im Idealfall werden nur Löcher in die Verstärkungszone injiziert; diese Struktur wird daher als lochinjizierte Struktur bezeichnet.

(2) Absorption und Verstärkung werden unterschieden
Aufgrund der großen Bandlücke von InP (InP beträgt 1,35 eV und InGaAs 0,75 eV) wird InP üblicherweise als Verstärkungszonenmaterial und InGaAs als Absorptionszonenmaterial verwendet.

(3) Es werden die Absorptions-, Gradienten- und Verstärkungsstrukturen (SAGM) vorgeschlagen.
Aktuell verwenden die meisten kommerziellen APD-Bauelemente InP/InGaAs-Materialien, wobei InGaAs als Absorptionsschicht dient und InP unter hohen elektrischen Feldstärken (>5x10⁵ V/cm) ohne Durchbruch als Verstärkungsschichtmaterial eingesetzt werden kann. Bei diesem Material basiert das Design der APD auf der Lawinenbildung im n-dotierten InP durch die Kollision von Löchern. Aufgrund des großen Unterschieds in der Bandlücke zwischen InP und InGaAs (Energieniveaudifferenz von ca. 0,4 eV im Valenzband) werden die in der InGaAs-Absorptionsschicht erzeugten Löcher an der Heteroübergangskante blockiert, bevor sie die InP-Multiplikatorschicht erreichen. Dadurch wird ihre Geschwindigkeit stark reduziert, was zu einer langen Ansprechzeit und einer geringen Bandbreite dieser APD führt. Dieses Problem lässt sich durch das Einfügen einer InGaAsP-Übergangsschicht zwischen den beiden Materialien beheben.

(4) Es werden die Absorptions-, Gradienten-, Ladungs- und Verstärkungsstrukturen (SAGCM) vorgeschlagen.
Um die elektrische Feldverteilung der Absorptionsschicht und der Verstärkungsschicht weiter anzupassen, wird die Ladungsschicht in das Gerätedesign eingeführt, was die Geschwindigkeit und Reaktionsfähigkeit des Geräts erheblich verbessert.

(5) Resonatorverstärkte (RCE) SAGCM-Struktur
Bei der oben beschriebenen Optimierung herkömmlicher Detektoren muss berücksichtigt werden, dass die Dicke der Absorptionsschicht einen Zielkonflikt zwischen Detektorgeschwindigkeit und Quanteneffizienz darstellt. Eine geringe Dicke der Absorptionsschicht reduziert die Transitzeit der Ladungsträger und ermöglicht so eine große Bandbreite. Um jedoch eine höhere Quanteneffizienz zu erzielen, muss die Absorptionsschicht ausreichend dick sein. Eine Lösung bietet die Resonatorstruktur (RCE), bei der ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR) an der Ober- und Unterseite des Detektors angebracht ist. Der DBR-Spiegel besteht aus zwei Materialien mit niedrigem bzw. hohem Brechungsindex, die abwechselnd übereinander angeordnet sind. Die Dicke jeder Schicht entspricht einem Viertel der Wellenlänge des einfallenden Lichts im Halbleiter. Durch die Resonatorstruktur des Detektors werden die Anforderungen an die Detektorgeschwindigkeit erfüllt, die Dicke der Absorptionsschicht kann sehr gering sein, und die Quanteneffizienz der Elektronen wird nach mehreren Reflexionen erhöht.

(6) Kantengekoppelte Wellenleiterstruktur (WG-APD)
Eine weitere Lösung für den Widerspruch zwischen den unterschiedlichen Auswirkungen der Absorptionsschichtdicke auf die Geschwindigkeit und Quanteneffizienz von Bauelementen ist die Einführung einer kantengekoppelten Wellenleiterstruktur. Diese Struktur leitet Licht seitlich ein, und da die Absorptionsschicht sehr lang ist, lässt sich leicht eine hohe Quanteneffizienz erzielen. Gleichzeitig kann die Absorptionsschicht sehr dünn gestaltet werden, wodurch die Transitzeit der Ladungsträger reduziert wird. Somit löst diese Struktur die unterschiedliche Abhängigkeit von Bandbreite und Effizienz von der Dicke der Absorptionsschicht und verspricht die Realisierung von APDs mit hoher Datenrate und hoher Quanteneffizienz. Das Herstellungsverfahren für WG-APDs ist einfacher als das für RCE-APDs, da der aufwendige Herstellungsprozess des DBR-Spiegels entfällt. Daher ist es in der Praxis besser umsetzbar und eignet sich für herkömmliche optische Verbindungen.

3. Schlussfolgerung
Die Entstehung von LawinenFotodetektorMaterialien und Bauelemente werden untersucht. Die Stoßionisationsraten von Elektronen und Löchern in InP-Materialien ähneln denen von InAlAs, was zu einem doppelten Prozess der beiden Ladungsträgersymbioten führt. Dies verlängert die Lawinenaufbauzeit und erhöht das Rauschen. Im Vergleich zu reinem InAlAs weisen InGaAs(P)/InAlAs- und In(Al)GaAs/InAlAs-Quantenfilmstrukturen ein erhöhtes Verhältnis der Stoßionisationskoeffizienten auf, wodurch sich das Rauschverhalten deutlich verbessern lässt. Strukturell wurden resonatorverstärkte (RCE) SAGCM-Strukturen und kantengekoppelte Wellenleiterstrukturen (WG-APD) entwickelt, um die unterschiedlichen Auswirkungen der Absorptionsschichtdicke auf die Bauelementgeschwindigkeit und die Quanteneffizienz zu lösen. Aufgrund der Komplexität der Prozesse muss die praktische Anwendung dieser beiden Strukturen noch weiter erforscht werden.