Nguyên tắc và tình hình hiện tại củaAvalanche Photodetector (Photodetector APD) Phần hai
2.2 Cấu trúc chip APD
Cấu trúc chip hợp lý là sự đảm bảo cơ bản của các thiết bị hiệu suất cao. Thiết kế cấu trúc của APD chủ yếu xem xét hằng số thời gian RC, chụp lỗ ở dị vòng, thời gian vận chuyển của sóng mang thông qua khu vực cạn kiệt, v.v. Sự phát triển của cấu trúc của nó được tóm tắt dưới đây:
(1) Cấu trúc cơ bản
Cấu trúc APD đơn giản nhất dựa trên photodiode pin, vùng P và vùng N bị pha tạp rất nhiều và vùng chống chống trục loại loại n hoặc loại P được giới thiệu trong vùng P liền kề hoặc vùng N để tạo ra các điện tử thứ cấp và các cặp lỗ, do đó nhận ra sự khuếch đại của quang điện quang chính. Đối với các vật liệu chuỗi INP, vì hệ số ion hóa tác động lỗ lớn hơn hệ số ion hóa tác động điện tử, vùng tăng của pha tạp loại N thường được đặt trong vùng P. Trong một tình huống lý tưởng, chỉ có các lỗ hổng được tiêm vào vùng tăng, vì vậy cấu trúc này được gọi là cấu trúc được tiêm lỗ.
(2) Sự hấp thụ và tăng được phân biệt
Do các đặc điểm khoảng cách dải rộng của INP (INP là 1,35EV và IngaAs là 0,75EV), INP thường được sử dụng làm vật liệu vùng tăng và IngaAs làm vật liệu vùng hấp thụ.
(3) Các cấu trúc hấp thụ, độ dốc và tăng (SAGM) được đề xuất tương ứng
Hiện tại, hầu hết các thiết bị APD thương mại đều sử dụng vật liệu INP/IngaaS, IngaaS làm lớp hấp thụ, INP trong điện trường cao (> 5x105V/cm) mà không bị hỏng, có thể được sử dụng làm vật liệu vùng tăng. Đối với vật liệu này, thiết kế của APD này là quá trình tuyết lở được hình thành trong INP loại N bằng sự va chạm của các lỗ. Xem xét sự khác biệt lớn trong khoảng cách dải giữa INP và IngaAs, chênh lệch mức năng lượng khoảng 0,4EV trong dải hóa trị làm cho các lỗ tạo ra trong lớp hấp thụ IngaAs bị tắc nghẽn ở cạnh dị vòng trước khi đạt đến lớp nhân INP và tốc độ giảm đáng kể. 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, độ dốc, điện tích và mức tăng (SAGCM) được đề xuất tương ứng
Để điều chỉnh thêm phân phối điện trường của lớp hấp thụ và lớp khuếch đại, lớp điện tích được đưa vào thiết kế thiết bị, giúp cải thiện đáng kể tốc độ và khả năng đáp ứng của thiết bị.
(5) Cấu trúc SAGCM tăng cường cộng hưởng (RCE)
Trong thiết kế tối ưu của các máy dò truyền thống, chúng ta phải đối mặt với thực tế là độ dày của lớp hấp thụ là một yếu tố mâu thuẫn cho tốc độ thiết bị và hiệu quả lượng tử. Độ dày mỏng của lớp hấp thụ có thể làm giảm thời gian vận chuyển của sóng mang, do đó có thể thu 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. Giải pháp cho vấn đề này có thể là cấu trúc khoang cộng hưởng (RCE), nghĩa là, phản xạ Bragg phân tán (DBR) được thiết kế ở phía dưới và trên cùng của thiết bị. Gương DBR bao gồm hai loại vật liệu có chỉ số khúc xạ thấp và chỉ số khúc xạ cao trong cấu trúc, và hai loại 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 tốc độ, độ dày của lớp hấp thụ có thể được thực hiện rất mỏng và hiệu suất lượng tử của electron được tăng lên sau một số phản xạ.
(6) Cấu trúc ống dẫn sóng kết hợp cạnh (WG-APD)
Một giải pháp khác để giải quyết mâu thuẫn của các tác động khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đối với tốc độ và hiệu suất lượng tử của thiết bị là giới thiệu cấu trúc ống dẫn sóng kết hợp cạnh. Cấu trúc này đi vào ánh sáng từ bên cạnh, bởi vì lớp hấp thụ rất dài, dễ dàng đạt được hiệu quả lượng tử cao, đồng thời, lớp hấp thụ có thể được thực hiện rất mỏng, làm giảm thời gian vận chuyển của sóng mang. Do đó, cấu trúc này giải quyết sự phụ thuộc khác nhau của băng thông và hiệu quả vào độ dày của lớp hấp thụ, và dự kiến sẽ đạt được APD tốc độ cao và hiệu suất lượng tử cao. Quá trình WG-APD đơn giản hơn so với RCE APD, loại bỏ quá trình chuẩn bị phức tạp của gương DBR. Do đó, nó khả thi hơn trong lĩnh vực thực tế và phù hợp cho kết nối quang mặt phẳng thông thường.
3. Kết luận
Sự phát triển của tuyết lởPhotodetectorVật liệu và thiết bị được xem xét. Tốc độ ion hóa va chạm electron và lỗ của các vật liệu INP gần với các nguyên liệu của Inalas, dẫn đến quá trình kép của hai cộng sinh tàu sân bay, làm cho thời gian xây dựng trận tuyết lở dài hơn và tiếng ồn tăng lên. So với các vật liệu inalas tinh khiết, các cấu trúc giếng lượng tử (p) /inalas và trong (al) (al) có tỷ lệ tăng của các hệ số ion hóa va chạm, do đó hiệu suất nhiễu có thể thay đổi rất nhiều. Về cấu trúc, cấu trúc SAGCM tăng cường (RCE) và cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh (WG-APD) được phát triển để giải quyết mâu thuẫn của các tác động khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đối với tốc độ thiết bị và hiệu quả lượng tử. Do sự phức tạp của quá trình, ứng dụng thực tế đầy đủ của hai cấu trúc này cần được khám phá thêm.
Thời gian đăng: Tháng 11-14-2023