Nguyên tắc và tình hình hiện tại củamáy dò quang tuyết lở (Bộ tách sóng quang APD) Phần Hai
2.2 Cấu trúc chip APD
Cấu trúc chip hợp lý là sự đảm bảo cơ bản cho các thiết bị hiệu suất cao. Thiết kế cấu trúc của APD chủ yếu xem xét hằng số thời gian RC, bắt lỗ trống tại tiếp giáp dị chất, thời gian vận chuyển hạt tải qua vùng nghèo, v.v. Sự phát triển cấu trúc của nó được tóm tắt như sau:
(1) Cấu trúc cơ bản
Cấu trúc APD đơn giản nhất dựa trên diode quang PIN, vùng P và vùng N được pha tạp mạnh, và vùng đẩy kép loại N hoặc loại P được đưa vào vùng P hoặc vùng N liền kề để tạo ra các cặp electron và lỗ trống thứ cấp, nhằm khuếch đại dòng quang điện sơ cấp. Đối với vật liệu dòng InP, do hệ số ion hóa va chạm lỗ trống lớn hơn hệ số ion hóa va chạm electron, nên vùng khuếch đại của pha tạp loại N thường được đặt ở vùng P. Trong điều kiện lý tưởng, chỉ có lỗ trống được đưa vào vùng khuếch đại, vì vậy cấu trúc này được gọi là cấu trúc tiêm lỗ trống.
(2) Sự hấp thụ và sự tăng trưởng được phân biệt
Do đặc tính khoảng cách băng rộng của InP (InP là 1,35eV và InGaAs là 0,75eV), InP thường được sử dụng làm vật liệu vùng khuếch đại và InGaAs làm vật liệu vùng hấp thụ.
(3) Các cấu trúc hấp thụ, građien và khuếch đại (SAGM) được đề xuất tương ứng
Hiện nay, hầu hết các thiết bị APD thương mại đều sử dụng vật liệu InP/InGaAs, InGaAs làm lớp hấp thụ, InP dưới điện trường cao (>5x105V/cm) mà không bị đánh thủng, có thể được sử dụng làm vật liệu vùng khuếch đại. Đối với vật liệu này, thiết kế của APD này là quá trình tuyết lở được hình thành trong InP loại N do va chạm của các lỗ trống. Xét đến sự khác biệt lớn về khoảng cách dải giữa InP và InGaAs, sự chênh lệch mức năng lượng khoảng 0,4eV trong dải hóa trị làm cho các lỗ trống được tạo ra trong lớp hấp thụ InGaAs bị cản trở tại cạnh giao thoa dị chất trước khi đến lớp nhân InP và tốc độ bị giảm đáng kể, dẫn đến thời gian đáp ứng dài và băng thông hẹp của APD này. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng cách thêm một lớp chuyển tiếp InGaAsP giữa hai vật liệu.
(4) Các cấu trúc hấp thụ, građien, điện tích và độ lợi (SAGCM) được đề xuất tương ứng
Để điều chỉnh thêm sự phân bố trường điện của lớp hấp thụ và lớp khuếch đại, lớp tích điện được đưa vào thiết kế thiết bị, giúp cải thiện đáng kể tốc độ và khả năng phản hồi của thiết bị.
(5) Cấu trúc SAGCM tăng cường cộng hưởng (RCE)
Trong thiết kế tối ưu của các máy dò truyền thống nêu trên, chúng ta phải đối mặt với thực tế là độ dày của lớp hấp thụ là một yếu tố mâu thuẫn với tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử. Độ dày mỏng của lớp hấp thụ có thể làm giảm thời gian vận chuyển của hạt mang điện, do đó có thể đạt được băng thông lớn. Tuy nhiên, đồng thời, để đạt được hiệu suất lượng tử cao hơn, lớp hấp thụ cần phải có độ dày đủ lớn. Giải pháp cho vấn đề này có thể là cấu trúc khoang cộng hưởng (RCE), tức là bộ phản xạ Bragg phân tán (DBR) được thiết kế ở phía dưới và phía trên của thiết bị. Gương DBR bao gồm hai loại vật liệu có chiết suất thấp và chiết suất cao về cấu trúc, và hai loại này phát triển xen kẽ, và độ dày của mỗi lớp đáp ứng bước sóng ánh sáng tới 1/4 trong chất bán dẫn. Cấu trúc cộng hưởng của máy dò có thể đáp ứng các yêu cầu về tốc độ, độ dày của lớp hấp thụ có thể được làm rất mỏng, và hiệu suất lượng tử của electron được tăng lên sau nhiều lần phản xạ.
(6) Cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh (WG-APD)
Một giải pháp khác để giải quyết mâu thuẫn giữa ảnh hưởng khác nhau của độ dày lớp hấp thụ lên tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử là sử dụng cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh. Cấu trúc này cho phép ánh sáng đi vào từ bên cạnh, do lớp hấp thụ rất dài nên dễ dàng đạt được hiệu suất lượng tử cao, đồng thời, lớp hấp thụ có thể được làm rất mỏng, giúp giảm thời gian truyền sóng mang. Do đó, cấu trúc này giải quyết được sự phụ thuộc khác nhau giữa băng thông và hiệu suất vào độ dày lớp hấp thụ, và dự kiến sẽ đạt được hiệu suất lượng tử cao và tốc độ cao của APD. Quy trình của WG-APD đơn giản hơn so với RCE APD, loại bỏ quy trình chế tạo gương DBR phức tạp. Do đó, nó khả thi hơn trong thực tế và phù hợp với kết nối quang học mặt phẳng chung.
3. Kết luận
Sự phát triển của tuyết lởmáy dò quangVật liệu và thiết bị được xem xét. Tốc độ ion hóa va chạm electron và lỗ trống của vật liệu InP gần với InAlAs, dẫn đến quá trình kép của cộng sinh hai hạt mang điện, làm cho thời gian xây dựng tuyết lở dài hơn và nhiễu tăng lên. So với vật liệu InAlAs tinh khiết, cấu trúc giếng lượng tử InGaAs (P) / InAlAs và In (Al) GaAs/InAlAs có tỷ lệ hệ số ion hóa va chạm tăng lên, do đó hiệu suất nhiễu có thể thay đổi đáng kể. Về mặt cấu trúc, cấu trúc SAGCM tăng cường cộng hưởng (RCE) và cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh (WG-APD) được phát triển để giải quyết mâu thuẫn về các hiệu ứng khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đối với tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử. Do tính phức tạp của quy trình, ứng dụng thực tế đầy đủ của hai cấu trúc này cần được khám phá thêm.
Thời gian đăng: 14-11-2023