Das Prinzip und die gegenwärtige Situation vonLawinenphotodetektor (APD-Fotodetektor) Zweiter Teil
2.2 APD-Chipstruktur
Eine sinnvolle Chipstruktur ist die Grundvoraussetzung für leistungsstarke Bauelemente. Das strukturelle Design von APDs berücksichtigt hauptsächlich die RC-Zeitkonstante, den Locheinfang am Heteroübergang, die Trägerlaufzeit durch die Verarmungszone usw. Die Entwicklung der Struktur ist nachfolgend zusammengefasst:
(1) Grundstruktur
Die einfachste APD-Struktur basiert auf einer PIN-Fotodiode. Die p- und n-Region sind stark dotiert, und die doppelt abstoßende n- oder p-Region wird in die benachbarte p- oder n-Region eingeführt, um Sekundärelektronen und Lochpaare zu erzeugen und so den primären Fotostrom zu verstärken. Bei Materialien der InP-Reihe ist der Lochstoßionisationskoeffizient größer als der Elektronenstoßionisationskoeffizient, daher wird die N-dotierte Verstärkungsregion üblicherweise in der p-Region platziert. Im Idealfall werden nur Löcher in die Verstärkungsregion injiziert, daher spricht man von einer lochinjizierten Struktur.
(2) Absorption und Verstärkung werden unterschieden
Aufgrund der großen Bandlückeneigenschaften von InP (InP beträgt 1,35 eV und InGaAs 0,75 eV) wird InP normalerweise als Material für die Verstärkungszone und InGaAs als Material für die Absorptionszone verwendet.
(3) Die Absorptions-, Gradienten- und Verstärkungsstrukturen (SAGM) werden jeweils vorgeschlagen
Derzeit verwenden die meisten kommerziellen APD-Geräte InP/InGaAs-Material, InGaAs als Absorptionsschicht und InP, das unter einem hohen elektrischen Feld (> 5 x 105 V/cm) ohne Durchschlag reagiert, als Material für die Verstärkungszone. Das Design dieser APD besteht darin, dass der Lawinenprozess im n-Typ InP durch die Kollision von Löchern gebildet wird. Angesichts des großen Unterschieds im Bandabstand zwischen InP und InGaAs führt der Energieniveauunterschied von etwa 0,4 eV im Valenzband dazu, dass die in der InGaAs-Absorptionsschicht erzeugten Löcher an der Heteroübergangskante blockiert werden, bevor sie die InP-Vervielfacherschicht erreichen, wodurch die Geschwindigkeit stark reduziert wird. Dies führt zu einer langen Reaktionszeit und einer schmalen Bandbreite dieser APD. Dieses Problem kann durch Hinzufügen einer InGaAsP-Übergangsschicht zwischen den beiden Materialien gelöst werden.
(4) Die Absorptions-, Gradienten-, Ladungs- und Verstärkungsstrukturen (SAGCM) werden jeweils 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 Optimierung herkömmlicher Detektoren ist zu berücksichtigen, dass die Dicke der Absorptionsschicht einen widersprüchlichen Faktor für die Gerätegeschwindigkeit und die Quanteneffizienz darstellt. Eine dünne Absorptionsschicht kann die Trägerlaufzeit verkürzen und so eine große Bandbreite erzielen. Gleichzeitig ist jedoch für eine höhere Quanteneffizienz eine ausreichend dicke Absorptionsschicht erforderlich. Eine Lösung hierfür bietet die Resonatorstruktur (RCE), bei der ein verteilter Bragg-Reflektor (DBR) an der Unter- und Oberseite des Geräts angeordnet ist. Der DBR-Spiegel besteht aus zwei Materialien mit niedrigem und hohem Brechungsindex, die abwechselnd wachsen. Die Dicke jeder Schicht entspricht 1/4 der Wellenlänge des einfallenden Lichts im Halbleiter. Die Resonatorstruktur des Detektors erfüllt die Geschwindigkeitsanforderungen, die Absorptionsschicht kann sehr dünn gewählt werden, und die Quanteneffizienz der Elektronen steigt nach mehreren Reflexionen.
(6) Kantengekoppelte Wellenleiterstruktur (WG-APD)
Eine weitere Lösung, um den Widerspruch zwischen den unterschiedlichen Auswirkungen der Dicke der Absorptionsschicht auf die Gerätegeschwindigkeit und Quanteneffizienz zu überwinden, ist die Einführung einer kantengekoppelten Wellenleiterstruktur. Diese Struktur lässt das Licht seitlich einfallen. Da die Absorptionsschicht sehr lang ist, lässt sich leicht eine hohe Quanteneffizienz erreichen. Gleichzeitig kann die Absorptionsschicht sehr dünn ausgeführt werden, was die Trägerlaufzeit verkürzt. Diese Struktur löst somit die unterschiedliche Abhängigkeit von Bandbreite und Effizienz von der Dicke der Absorptionsschicht und ermöglicht voraussichtlich eine APD mit hoher Rate und hoher Quanteneffizienz. Der Prozess der WG-APD ist einfacher als der der RCE-APD, wodurch der komplizierte Herstellungsprozess eines DBR-Spiegels entfällt. Daher ist sie in der Praxis praktikabler und für optische Verbindungen in gemeinsamen Ebenen geeignet.
3. Fazit
Die Entwicklung der LawineFotodetektorMaterialien und Geräte werden überprüft. Die Kollisionsionisationsraten von Elektronen und Löchern von InP-Materialien liegen nahe an denen von InAlAs, was zum Doppelprozess der beiden Trägersymbionen führt, wodurch die Lawinenbildungszeit länger und das Rauschen stärker wird. Im Vergleich zu reinen InAlAs-Materialien weisen InGaAs (P) /InAlAs- und In (Al) GaAs/InAlAs-Quantentopfstrukturen ein erhöhtes Verhältnis von Kollisionsionisationskoeffizienten auf, sodass das Rauschverhalten stark verändert werden kann. Hinsichtlich der Struktur werden eine resonatorverstärkte (RCE) SAGCM-Struktur und eine kantengekoppelte Wellenleiterstruktur (WG-APD) entwickelt, um die Widersprüche der unterschiedlichen Auswirkungen der Absorptionsschichtdicke auf die Gerätegeschwindigkeit und Quanteneffizienz zu lösen. Aufgrund der Komplexität des Prozesses muss die vollständige praktische Anwendung dieser beiden Strukturen noch weiter erforscht werden.
Veröffentlichungszeit: 14. November 2023