Nguyên tắc và thực trạng hiện nay củamáy dò quang tuyết lở (Bộ tách sóng quang APD) Phần thứ 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, khả năng bắt lỗ ở tiếp giáp dị thể, thời gian vận chuyển sóng mang qua vùng cạn kiệt, v.v. Sự phát triển 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 nhiều và vùng đẩy kép loại N hoặc loại P được đưa vào vùng P hoặc vùng N liền kề để tạo ra các electron thứ cấp và lỗ trống cặp, để nhận ra sự khuếch đại của dòng quang sơ cấp. Đối với vật liệu dòng InP, do hệ số ion hóa tác động vào lỗ lớn hơn hệ số ion hóa tác động của điện tử nên vùng khuếch đại của pha tạp loại N thường được đặt ở vùng P. Trong tình huống lý tưởng, chỉ có các lỗ được đưa vào vùng khuếch đại, do đó cấu trúc này được gọi là cấu trúc được chèn lỗ.
(2) Sự hấp thụ và mức tăng được phân biệt
Do đặc tính vùng cấm 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, gradient và khuếch đại (SAGM) lần lượt được đề xuất
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 sự va chạm của các lỗ. Xem xét 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 khiến các lỗ trống được tạo ra trong lớp hấp thụ InGaAs bị tắc nghẽn ở cạnh dị thể trước khi đến lớp nhân InP và tốc độ rất lớn giảm, 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 lớp chuyển tiếp InGaAsP giữa hai vật liệu.
(4) Các cấu trúc hấp thụ, gradient, điện tích và khuếch đại (SAGCM) được đề xuất tương ứng
Để điều chỉnh hơn nữa 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 ở trên của máy dò truyền thống, chúng ta phải đối mặt với thực tế là độ dày của lớp hấp thụ là yếu tố trái ngược nhau 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 sóng mang, do đó có thể thu được băng thông lớn. Tuy nhiên, đồng thời, để đạt được hiệu suất lượng tử cao hơn thì lớp hấp thụ cần phải có độ dày vừa đủ. 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 mặt dưới và mặt trên của thiết bị. Gương DBR bao gồm hai loại vật liệu có cấu trúc chiết suất thấp và chiết suất cao, cả hai 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 yêu cầu về tốc độ, độ dày của lớp hấp thụ có thể được làm rất mỏng và hiệu suất lượng tử của electron tăng lên sau một số phản xạ.
(6) Cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh (WG-APD)
Một giải pháp khác để giải quyết mâu thuẫn về các tác động khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đến tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử là đưa ra cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh. Cấu trúc này đi vào ánh sáng từ phía bên, vì lớp hấp thụ rất dài nên dễ đạt được hiệu suất lượng tử cao, đồng thời, lớp hấp thụ có thể được làm rất mỏng, giảm thời gian vận chuyển chất mang. 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 dự kiến sẽ đạt được APD tốc độ cao và hiệu suất lượng tử cao. Quá trình WG-APD đơn giản hơn RCE APD, giúp 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 với kết nối quang mặt phẳng chung.
3. Kết luận
Sự phát triển của tuyết lởmáy tách sóng quangvật liệu và thiết bị được xem xét. Tốc độ ion hóa va chạm electron và lỗ trống của vật liệu InP gần bằng với tốc độ ion hóa của InAlAs, dẫn đến quá trình kép của hai cộng sinh hạt mang, khiến thời gian hình thành tuyết lở lâu hơn và tiếng ồn tăng lên. So với các vật liệu InAlAs thuần túy, 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 được tăng cường cộng hưởng (RCE) và cấu trúc ống dẫn sóng ghép cạnh (WG-APD) được phát triển nhằm giải quyết những mâu thuẫn về các tác động khác nhau của độ dày lớp hấp thụ đến tốc độ thiết bị và hiệu suất lượng tử. Do sự 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