Das Prinzip und die aktuelle Situation des Lawinenfotodetektors (APD-Fotodetektor) Teil Zwei

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

2.2 APD-Chipstruktur
Eine vernünftige Chipstruktur ist die grundlegende Garantie für Hochleistungsgeräte.Der strukturelle Entwurf von APD berücksichtigt hauptsächlich die RC-Zeitkonstante, das Einfangen von Löchern am Heteroübergang, die Ladungsträgerlaufzeit durch die Verarmungsregion usw.Die Entwicklung seiner Struktur ist nachstehend zusammengefasst:

(1) Grundstruktur
Die einfachste APD-Struktur basiert auf der PIN-Fotodiode, der P-Bereich und der N-Bereich sind stark dotiert, und der doppelt abstoßende Bereich vom N-Typ oder P-Typ wird in den angrenzenden P-Bereich oder N-Bereich eingeführt, um Sekundärelektronen und Löcher zu erzeugen Paare, um die Verstärkung des primären Photostroms zu realisieren.Da bei Materialien der InP-Serie der Lochstoß-Ionisationskoeffizient größer als der Elektronenstoß-Ionisationskoeffizient ist, wird der Verstärkungsbereich der N-Typ-Dotierung normalerweise im P-Bereich platziert.Im Idealfall werden nur Löcher in den Verstärkungsbereich injiziert, daher wird diese Struktur als lochinjizierte Struktur bezeichnet.

(2) Absorption und Verstärkung werden unterschieden
Aufgrund der breiten Bandlückeneigenschaften von InP (InP beträgt 1,35 eV und InGaAs beträgt 0,75 eV) wird üblicherweise InP 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, InP unter hohem elektrischen Feld (>5x105V/cm) ohne Durchschlag, kann als Verstärkungszonenmaterial verwendet werden.Für dieses Material besteht das Design dieser APD darin, dass der Lawinenprozess im N-Typ-InP durch die Kollision von Löchern entsteht.Angesichts des großen Unterschieds in der Bandlücke 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, und die Geschwindigkeit ist erheblich reduziert, was zu einer langen Reaktionszeit und einer geringen Bandbreite dieser APD führt.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) Resonator Enhanced (RCE) SAGCM-Struktur
Beim oben genannten optimalen Design herkömmlicher Detektoren müssen wir uns der Tatsache stellen, dass die Dicke der Absorptionsschicht ein widersprüchlicher Faktor für die Gerätegeschwindigkeit und die Quanteneffizienz ist.Die geringe Dicke der absorbierenden Schicht kann die Trägerlaufzeit verkürzen, sodass eine große Bandbreite erzielt werden kann.Um jedoch eine höhere Quanteneffizienz zu erreichen, muss die Absorptionsschicht gleichzeitig eine ausreichende Dicke aufweisen.Die Lösung für dieses Problem kann die Resonanzhohlraumstruktur (RCE) sein, d. h. der verteilte Bragg-Reflektor (DBR) ist unten und oben am Gerät vorgesehen.Der DBR-Spiegel besteht aus zwei Arten von Materialien mit niedrigem Brechungsindex und hohem Brechungsindex in der Struktur, und die beiden wachsen abwechselnd, und die Dicke jeder Schicht entspricht 1/4 der Wellenlänge des einfallenden Lichts im Halbleiter.Die Resonatorstruktur des Detektors kann den Geschwindigkeitsanforderungen gerecht werden, die Dicke der Absorptionsschicht kann sehr dünn gemacht werden und die Quanteneffizienz des Elektrons wird nach mehreren Reflexionen erhöht.

(6) Kantengekoppelte Wellenleiterstruktur (WG-APD)
Eine weitere Lösung zur Lösung des Widerspruchs zwischen den unterschiedlichen Auswirkungen der Dicke der Absorptionsschicht auf die Gerätegeschwindigkeit und die Quanteneffizienz ist die Einführung einer kantengekoppelten Wellenleiterstruktur.Bei dieser Struktur tritt Licht von der Seite ein, da die Absorptionsschicht sehr lang ist, eine hohe Quanteneffizienz leicht erzielt werden kann und gleichzeitig die Absorptionsschicht sehr dünn gemacht werden kann, was die Ladungsträgerlaufzeit verkürzt.Daher löst diese Struktur die unterschiedliche Abhängigkeit von Bandbreite und Effizienz von der Dicke der Absorptionsschicht und soll eine APD mit hoher Rate und hoher Quanteneffizienz erreichen.Der Prozess von WG-APD ist einfacher als der von RCE APD, wodurch der komplizierte Vorbereitungsprozess des DBR-Spiegels entfällt.Daher ist es im praktischen Bereich praktikabler und für optische Verbindungen in einer gemeinsamen Ebene geeignet.

3. Fazit
Die Entwicklung einer LawineFotodetektorMaterialien und Geräte werden überprüft.Die Elektronen- und Lochkollisionsionisationsraten von InP-Materialien liegen nahe an denen von InAlAs, was zum doppelten Prozess der beiden Trägersymbionen führt, wodurch die Lawinenbildungszeit länger wird und das Rauschen zunimmt.Im Vergleich zu reinen InAlAs-Materialien weisen InGaAs (P) /InAlAs- und In (Al)GaAs/InAlAs-Quantentopfstrukturen ein erhöhtes Verhältnis der Kollisionsionisationskoeffizienten auf, sodass sich das Rauschverhalten erheblich ändern kann.Hinsichtlich der Struktur werden eine resonatorverstärkte (RCE) SAGCM-Struktur und eine kantengekoppelte Wellenleiterstruktur (WG-APD) entwickelt, um die Widersprüche verschiedener Auswirkungen der Absorptionsschichtdicke auf die Gerätegeschwindigkeit und Quanteneffizienz zu lösen.Aufgrund der Komplexität des Prozesses muss die vollständige praktische Anwendung dieser beiden Strukturen weiter untersucht werden.