Printsip va hozirgi holatiko'chki fotodetektori (APD fotodetektori) Ikkinchi qism
2.2 APD chip tuzilishi
Chipning oqilona tuzilishi yuqori samarali qurilmalarning asosiy kafolati hisoblanadi. APD ning strukturaviy dizayni asosan RC vaqt doimiysi, heterojunctionda teshikni ushlash, tashuvchilarning kamayish mintaqasi orqali o'tish vaqti va boshqalarni hisobga oladi. Uning strukturasining rivojlanishi quyida umumlashtirilgan:
(1) Asosiy tuzilma
Eng oddiy APD tuzilishi PIN fotodiodiga asoslangan, P mintaqasi va N mintaqasi kuchli lehimlangan va birlamchi fototokning kuchayishini amalga oshirish uchun ikkilamchi elektronlar va teshik juftlarini hosil qilish uchun qo'shni P mintaqasiga yoki N mintaqasiga N-turdagi yoki P-turdagi ikki tomonlama itaruvchi mintaqa kiritiladi. InP seriyali materiallar uchun, teshik zarbasi ionlanish koeffitsienti elektron zarbasi ionlanish koeffitsientidan kattaroq bo'lgani uchun, N-turdagi lehimning kuchaytirish mintaqasi odatda P mintaqasiga joylashtiriladi. Ideal vaziyatda kuchaytirish mintaqasiga faqat teshiklar kiritiladi, shuning uchun bu struktura teshik bilan in'ektsiya qilingan struktura deb ataladi.
(2) Yutilish va kuchaytirish farqlanadi
InP ning keng polosali bo'shliq xususiyatlari tufayli (InP 1,35 eV va InGaAs 0,75 eV), InP odatda kuchaytirish zonasi materiali sifatida va InGaAs yutilish zonasi materiali sifatida ishlatiladi.
(3) Yutilish, gradient va kuchaytirish (SAGM) tuzilmalari mos ravishda taklif qilingan
Hozirgi kunda ko'pgina tijorat APD qurilmalari InP/InGaAs materialidan foydalanadi, yutilish qatlami sifatida InGaAs, yuqori elektr maydoni ostida (>5x105V/sm3) parchalanmasdan InP kuchaytirish zonasi materiali sifatida ishlatilishi mumkin. Ushbu material uchun ushbu APDning dizayni shundan iboratki, ko'chki jarayoni N-turdagi InPda teshiklarning to'qnashuvi orqali hosil bo'ladi. InP va InGaAs orasidagi tasma oralig'idagi katta farqni hisobga olsak, valentlik zonasida taxminan 0,4 eV energiya darajasi farqi InGaAs yutilish qatlamida hosil bo'lgan teshiklarni InP multiplikator qatlamiga yetmasdan oldin heterojunction chetida to'sib qo'yadi va tezlik sezilarli darajada kamayadi, natijada bu APDning javob vaqti uzoq va o'tkazish qobiliyati tor bo'ladi. Bu muammoni ikki material o'rtasida InGaAsP o'tish qatlamini qo'shish orqali hal qilish mumkin.
(4) Yutilish, gradient, zaryad va kuchaytirish (SAGCM) tuzilmalari mos ravishda taklif qilingan
Yutish qatlami va kuchaytirish qatlamining elektr maydoni taqsimotini yanada sozlash uchun qurilma dizayniga zaryad qatlami kiritiladi, bu esa qurilma tezligi va javob berish qobiliyatini sezilarli darajada yaxshilaydi.
(5) Rezonator bilan kuchaytirilgan (RCE) SAGCM tuzilishi
Yuqorida keltirilgan an'anaviy detektorlarning optimal dizaynida biz yutilish qatlamining qalinligi qurilma tezligi va kvant samaradorligi uchun qarama-qarshi omil ekanligiga duch kelishimiz kerak. Yutuvchi qatlamning yupqa qalinligi tashuvchining o'tish vaqtini qisqartirishi mumkin, shuning uchun katta o'tkazish qobiliyatiga erishish mumkin. Biroq, shu bilan birga, yuqori kvant samaradorligiga erishish uchun yutilish qatlami yetarli qalinlikka ega bo'lishi kerak. Bu muammoning yechimi rezonans bo'shlig'i (RCE) tuzilishi bo'lishi mumkin, ya'ni taqsimlangan Bragg Reflektori (DBR) qurilmaning pastki va yuqori qismida ishlab chiqilgan. DBR oynasi past sinish indeksi va yuqori sinish indeksiga ega bo'lgan ikki turdagi materiallardan iborat bo'lib, ikkalasi navbatma-navbat o'sadi va har bir qatlamning qalinligi yarimo'tkazgichdagi tushayotgan yorug'lik to'lqin uzunligining 1/4 qismiga to'g'ri keladi. Detektorning rezonator tuzilishi tezlik talablariga javob berishi mumkin, yutilish qatlamining qalinligi juda yupqalashtirilishi mumkin va bir nechta aks ettirishlardan so'ng elektronning kvant samaradorligi oshiriladi.
(6) Chetga bog'langan to'lqin yo'naltiruvchi tuzilma (WG-APD)
Yutish qatlami qalinligining qurilma tezligi va kvant samaradorligiga turli ta'sirlari o'rtasidagi qarama-qarshilikni hal qilishning yana bir yechimi chekka bilan bog'langan to'lqin yo'naltiruvchi tuzilmani joriy etishdir. Bu tuzilma yorug'likka yon tomondan kiradi, chunki yutilish qatlami juda uzun, yuqori kvant samaradorligiga erishish oson va shu bilan birga, yutilish qatlamini juda yupqa qilish mumkin, bu esa tashuvchilarning o'tish vaqtini qisqartiradi. Shuning uchun, bu tuzilma o'tkazish qobiliyati va samaradorlikning yutilish qatlami qalinligiga turlicha bog'liqligini hal qiladi va yuqori tezlik va yuqori kvant samaradorligiga erishishi kutilmoqda. WG-APD jarayoni RCE APD jarayoniga qaraganda sodda, bu esa DBR oynasining murakkab tayyorlash jarayonini yo'q qiladi. Shuning uchun, u amaliy sohada ko'proq qo'llanilishi mumkin va umumiy tekislik optik ulanishi uchun mos keladi.
3. Xulosa
Ko'chkining rivojlanishifotodetektormateriallar va qurilmalar ko'rib chiqiladi. InP materiallarining elektron va teshik to'qnashuvi ionlanish tezligi InAlAs niki bilan yaqin, bu esa ikkita tashuvchi simbionning ikki tomonlama jarayoniga olib keladi, bu esa ko'chki hosil bo'lish vaqtini uzaytiradi va shovqinni oshiradi. Sof InAlAs materiallari bilan taqqoslaganda, InGaAs (P) /InAlAs va In (Al) GaAs/InAlAs kvant quduqlari tuzilmalari to'qnashuv ionlanish koeffitsientlarining nisbati oshgan, shuning uchun shovqin ko'rsatkichlarini sezilarli darajada o'zgartirish mumkin. Tuzilishi jihatidan, yutilish qatlami qalinligining qurilma tezligi va kvant samaradorligiga turli ta'sirlarining qarama-qarshiliklarini hal qilish uchun rezonator bilan kuchaytirilgan (RCE) SAGCM tuzilishi va chekka bilan bog'langan to'lqin yo'naltiruvchi tuzilishi (WG-APD) ishlab chiqilgan. Jarayonning murakkabligi tufayli ushbu ikki tuzilmaning to'liq amaliy qo'llanilishini yanada o'rganish kerak.
Nashr vaqti: 2023-yil 14-noyabr