Nguyên tắc và tình hình hiện tại củamáy dò quang điện thác lũ (đầu dò quang APDPhần hai
2.2 Cấu trúc chip APD
Cấu trúc chip hợp lý là yếu tố cơ bản đảm bảo hiệu năng cao cho các thiết bị. Thiết kế cấu trúc của APD chủ yếu xem xét hằng số thời gian RC, sự bắt giữ lỗ trống tại vùng tiếp giáp dị thể, thời gian vận chuyển hạt tải điện qua vùng suy giảm, v.v. Quá trình phát triển cấu trúc của nó được tóm tắt như sau:
(1) Cấu trúc cơ bản
Cấu trúc APD đơn giản nhất dựa trên điốt 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, vì hệ số ion hóa do va chạm của lỗ trống lớn hơn hệ số ion hóa do va chạm của electron, vùng khuếch đại pha tạp loại N thường được đặt trong vùng P. Trong trường hợp lý tưởng, chỉ có lỗ trống được bơm vào vùng khuếch đại, vì vậy cấu trúc này được gọi là cấu trúc bơm lỗ trống.
(2) Sự hấp thụ và khuếch đại được phân biệt
Do đặc tính vùng cấm rộng của InP (InP là 1,35 eV và InGaAs là 0,75 eV), 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, độ dốc và độ khuếch đại (SAGM) được đề xuất tương ứng
Hiện nay, hầu hết các thiết bị APD thương mại sử dụng vật liệu InP/InGaAs, trong đó InGaAs được sử dụng làm lớp hấp thụ, còn InP có thể được sử dụng làm vật liệu vùng khuếch đại dưới điện trường cao (>5x105V/cm) mà không bị đánh thủng. Đối với vật liệu này, thiết kế của APD là quá trình thác lũ được hình thành trong InP loại N do sự va chạm của các lỗ trống. Xét đến sự khác biệt lớn về khe năng lượng giữa InP và InGaAs, sự chênh lệch mức năng lượng khoảng 0,4eV trong dải hóa trị khiến các lỗ trống được tạo ra trong lớp hấp thụ InGaAs bị cản trở ở mép dị thể 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, độ dốc, điện tích và độ khuếch đại (SAGCM) được đề xuất tương ứng
Để điều chỉnh thêm sự phân bố điện trường 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 bộ детеctor truyền thống nêu trên, chúng ta phải đối mặt với thực tế rằng độ dày của lớp hấp thụ là một yếu tố mâu thuẫn đối với tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử. Độ dày mỏng của lớp hấp thụ có thể làm giảm thời gian truyền tải của hạt tải điện, do đó có thể thu được băng thông rộng. 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), tức là thiết kế gương phản xạ Bragg phân bố (DBR) ở đáy và đỉnh của thiết bị. Gương DBR bao gồm hai loại vật liệu có chiết suất thấp và chiết suất cao trong cấu trúc, và hai loại này phát triển xen kẽ, và độ dày của mỗi lớp đáp ứng 1/4 bước sóng ánh sáng tới trong chất bán dẫn. Cấu trúc cộng hưởng của bộ детеctor 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 một vài lần phản xạ.
(6) Cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh (WG-APD)
Một giải pháp khác để giải quyết mâu thuẫn giữa các hiệu ứng khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đối với tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử là giới thiệu cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh. Cấu trúc này cho phép ánh sáng đi vào từ bên cạnh, vì 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, giảm thời gian truyền tải của hạt tải điện. Do đó, cấu trúc này giải quyết được sự phụ thuộc khác nhau của băng thông và hiệu suất vào độ dày của lớp hấp thụ, và được kỳ vọng sẽ đạt được APD tốc độ cao và hiệu suất lượng tử cao. Quy trình chế tạo WG-APD đơn giản hơn so với RCE APD, loại bỏ được quy trình chuẩn bị phức tạp của gương DBR. Vì vậy, nó khả thi hơn trong thực tế và phù hợp với kết nối quang học mặt phẳng thông thường.
3. Kết luận
Sự hình thành của tuyết lởbộ tách sóng quangBài viết này xem xét các vật liệu và thiết bị. Tỷ lệ ion hóa do va chạm electron và lỗ trống của vật liệu InP gần giống với InAlAs, dẫn đến quá trình kép của hai cộng hưởng hạt tải điện, làm cho thời gian hình thành thác lũ kéo dài hơn và nhiễu tăng lên. So với vật liệu InAlAs nguyên chất, cấu trúc giếng lượng tử InGaAs(P)/InAlAs và In(Al)GaAs/InAlAs có tỷ lệ hệ số ion hóa do va chạm cao hơn, do đó hiệu suất nhiễu có thể thay đổi đáng kể. Về 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 giữa các hiệu ứng khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đối với tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử. Do sự phức tạp của quá trình, việc ứng dụng thực tiễn đầy đủ của hai cấu trúc này cần được nghiên cứu thêm.
Thời gian đăng bài: 14/11/2023