Սկզբունքը և ներկա իրավիճակըավալանշ ֆոտոդետեկտոր (APD ֆոտոդետեկտոր) Երկրորդ մաս
2.2 APD չիպի կառուցվածքը
Չիպերի ողջամիտ կառուցվածքը բարձր արդյունավետության սարքերի հիմնական երաշխիքն է: APD-ի կառուցվածքային նախագծումը հիմնականում հաշվի է առնում RC ժամանակի հաստատունը, անցքերի գրավումը հետերային հանգույցում, կրիչի տարանցման ժամանակը սպառման շրջանով և այլն: Նրա կառուցվածքի զարգացումն ամփոփված է ստորև.
(1) Հիմնական կառուցվածքը
Ամենապարզ APD կառուցվածքը հիմնված է PIN ֆոտոդիոդի վրա, P շրջանը և N շրջանը խիստ դոպինգ են, իսկ N-տիպի կամ P-տիպի կրկնակի վանող շրջանը ներմուծվում է հարակից P տարածաշրջանում կամ N տարածաշրջանում՝ երկրորդական էլեկտրոններ և անցքեր առաջացնելու համար: զույգեր, որպեսզի իրականանա առաջնային ֆոտոհոսանքի ուժեղացումը։ InP շարքի նյութերի համար, քանի որ անցքի ազդեցության իոնացման գործակիցը ավելի մեծ է, քան էլեկտրոնի ազդեցության իոնացման գործակիցը, N-տիպի դոպինգի շահույթի շրջանը սովորաբար տեղադրվում է P շրջանում: Իդեալական իրավիճակում միայն անցքեր են ներարկվում շահույթի հատվածում, ուստի այս կառուցվածքը կոչվում է անցքով ներարկվող կառուցվածք:
(2) Տարբերակվում են կլանումը և շահույթը
Շնորհիվ InP-ի լայն շերտի բացվածքի բնութագրերի (InP-ը 1.35eV է, իսկ InGaAs-ը՝ 0.75eV), InP-ն սովորաբար օգտագործվում է որպես շահույթի գոտու նյութ, իսկ InGaAs-ը՝ որպես կլանման գոտու նյութ:
(3) Առաջարկվում են համապատասխանաբար կլանման, գրադիենտի և շահույթի (SAGM) կառուցվածքները
Ներկայումս առևտրային APD սարքերից շատերն օգտագործում են InP/InGaAs նյութ, InGaAs որպես ներծծող շերտ, InP բարձր էլեկտրական դաշտի տակ (>5x105V/սմ) առանց խափանման, կարող է օգտագործվել որպես շահույթի գոտու նյութ: Այս նյութի համար այս APD-ի նախագծումն այն է, որ ավալանշի գործընթացը ձևավորվում է N տիպի InP-ում՝ անցքերի բախման արդյունքում: Հաշվի առնելով InP-ի և InGaA-ի միջև տիրույթի բացվածքի մեծ տարբերությունը, էներգիայի մակարդակի մոտ 0,4eV տարբերությունը վալենտական գոտում ստիպում է, որ InGaAs-ի կլանման շերտում առաջացած անցքերը խցանվեն հետերային միացման եզրին մինչև InP բազմապատկիչ շերտին հասնելը, և արագությունը մեծապես մեծ է: կրճատվել է, ինչը հանգեցնում է երկար արձագանքման ժամանակի և այս APD-ի նեղ թողունակության: Այս խնդիրը կարող է լուծվել երկու նյութերի միջև InGaAsP անցումային շերտ ավելացնելով:
(4) Առաջարկվում են համապատասխանաբար կլանման, գրադիենտի, լիցքի և շահույթի (SAGCM) կառուցվածքները
Կլանման շերտի և շահույթի շերտի էլեկտրական դաշտի բաշխումը հետագայում կարգավորելու համար լիցքավորման շերտը ներմուծվում է սարքի ձևավորման մեջ, ինչը մեծապես բարելավում է սարքի արագությունն ու արձագանքման հնարավորությունը:
(5) Ռեզոնատորի ուժեղացված (RCE) SAGCM կառուցվածքը
Ավանդական դետեկտորների վերը նշված օպտիմալ նախագծման մեջ մենք պետք է առերեսվենք այն փաստի հետ, որ ներծծող շերտի հաստությունը հակասական գործոն է սարքի արագության և քվանտային արդյունավետության համար: Ներծծող շերտի բարակ հաստությունը կարող է նվազեցնել կրիչի տարանցման ժամանակը, ուստի կարելի է ձեռք բերել մեծ թողունակություն: Սակայն, միևնույն ժամանակ, ավելի բարձր քվանտային արդյունավետություն ստանալու համար ներծծող շերտը պետք է ունենա բավարար հաստություն։ Այս խնդրի լուծումը կարող է լինել ռեզոնանսային խոռոչի (RCE) կառուցվածքը, այսինքն՝ բաշխված Bragg Reflector (DBR) նախատեսված է սարքի ներքևում և վերևում։ DBR հայելին բաղկացած է երկու տեսակի նյութերից՝ ցածր բեկման ինդեքսով և կառուցվածքում բարձր բեկման ինդեքսով, և երկուսն աճում են հերթափոխով, և յուրաքանչյուր շերտի հաստությունը կիսահաղորդիչում համապատասխանում է լույսի ալիքի 1/4 երկարությանը: Դետեկտորի ռեզոնատորի կառուցվածքը կարող է բավարարել արագության պահանջները, ներծծող շերտի հաստությունը կարելի է դարձնել շատ բարակ, իսկ էլեկտրոնի քվանտային արդյունավետությունը մեծանում է մի քանի անդրադարձից հետո։
(6) Եզրային զուգակցված ալիքատար կառուցվածք (WG-APD)
Սարքի արագության և քվանտային արդյունավետության վրա ներծծող շերտի հաստության տարբեր էֆեկտների հակասությունը լուծելու մեկ այլ լուծում է եզրային զուգակցված ալիքատար կառուցվածքի ներդրումը: Այս կառուցվածքը լույս է մտնում կողքից, քանի որ կլանման շերտը շատ երկար է, հեշտ է ստանալ բարձր քվանտային արդյունավետություն, և միևնույն ժամանակ, ներծծող շերտը կարելի է շատ բարակ դարձնել՝ նվազեցնելով կրիչի տարանցման ժամանակը։ Հետևաբար, այս կառուցվածքը լուծում է թողունակության և արդյունավետության տարբեր կախվածությունը ներծծող շերտի հաստությունից և ակնկալվում է հասնել բարձր արագության և բարձր քվանտային արդյունավետության APD: WG-APD-ի գործընթացը ավելի պարզ է, քան RCE APD-ն, որը վերացնում է DBR հայելու բարդ պատրաստման գործընթացը: Հետևաբար, այն ավելի իրագործելի է գործնական դաշտում և հարմար է ընդհանուր հարթության օպտիկական միացման համար:
3. Եզրակացություն
Ձնահոսքի զարգացումֆոտոդետեկտորնյութերը և սարքերը վերանայվում են: InP նյութերի էլեկտրոնների և անցքերի բախման իոնացման արագությունները մոտ են InAlAs-ին, ինչը հանգեցնում է երկու կրիչի սիմբիոնների կրկնակի գործընթացի, ինչը երկարացնում է ավալանշի կառուցման ժամանակը և ավելացնում աղմուկը: Մաքուր InAlAs նյութերի համեմատ, InGaAs (P) /InAlAs և In (Al) GaAs/InAlAs քվանտային հորերի կառուցվածքներն ունեն բախման իոնացման գործակիցների հարաբերակցությունը, ուստի աղմուկի կատարումը կարող է մեծապես փոխվել: Կառուցվածքի առումով, ռեզոնատորային ուժեղացված (RCE) SAGCM կառուցվածքը և եզրային զուգակցված ալիքատար կառուցվածքը (WG-APD) մշակվել են սարքի արագության և քվանտային արդյունավետության վրա ներծծող շերտի հաստության տարբեր ազդեցությունների հակասությունները լուծելու համար: Գործընթացի բարդությունից ելնելով, այս երկու կառույցների լիարժեք գործնական կիրառությունը հետագա ուսումնասիրության կարիք ունի:
Հրապարակման ժամանակը՝ նոյ-14-2023