პრინციპი და ამჟამინდელი მდგომარეობაზვავის ფოტოდეტექტორი (APD ფოტოდეტექტორი) მეორე ნაწილი
2.2 APD ჩიპის სტრუქტურა
გონივრული ჩიპის სტრუქტურა მაღალი ხარისხის მოწყობილობების ძირითადი გარანტიაა. APD-ის სტრუქტურული დიზაინი ძირითადად ითვალისწინებს RC დროის მუდმივას, ჰეტეროშეერთების ადგილას ხვრელის დაჭერას, მატარებლის ტრანზიტის დროს გამოფიტვის რეგიონში და ა.შ. მისი სტრუქტურის განვითარება შეჯამებულია ქვემოთ:
(1) ძირითადი სტრუქტურა
უმარტივესი APD სტრუქტურა დაფუძნებულია PIN ფოტოდიოდზე, P და N რეგიონები ძლიერ დოპირებულია და N-ტიპის ან P-ტიპის ორმაგად მომგერიებელი რეგიონი შეყვანილია მიმდებარე P ან N რეგიონში მეორადი ელექტრონებისა და ხვრელების წყვილების გენერირებისთვის, რათა განხორციელდეს პირველადი ფოტოდენის გაძლიერება. InP სერიის მასალებისთვის, რადგან ხვრელის დარტყმითი იონიზაციის კოეფიციენტი მეტია ელექტრონების დარტყმითი იონიზაციის კოეფიციენტზე, N-ტიპის დოპირების გაძლიერების რეგიონი ჩვეულებრივ მოთავსებულია P რეგიონში. იდეალურ სიტუაციაში, მხოლოდ ხვრელები შეჰყავთ გაძლიერების რეგიონში, ამიტომ ამ სტრუქტურას ხვრელებით შეყვანილი სტრუქტურა ეწოდება.
(2) განასხვავებენ შთანთქმას და მოგებას
InP-ის ფართო ზოლური უფსკრულის მახასიათებლების გამო (InP არის 1.35 eV და InGaAs არის 0.75 eV), InP ჩვეულებრივ გამოიყენება გაძლიერების ზონის მასალად, ხოლო InGaAs - შთანთქმის ზონის მასალად.
(3) შთანთქმის, გრადიენტის და გაძლიერების (SAGM) სტრუქტურები შემოთავაზებულია შესაბამისად
ამჟამად, კომერციული APD მოწყობილობების უმეტესობა იყენებს InP/InGaAs მასალას, InGaAs შთანთქმის ფენად, InP მაღალი ელექტრული ველის (>5x105V/cm) პირობებში დაშლის გარეშე შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც გაძლიერების ზონის მასალა. ამ მასალისთვის, ამ APD-ის დიზაინი ისეთია, რომ ზვავის პროცესი წარმოიქმნება N-ტიპის InP-ში ხვრელების შეჯახების შედეგად. InP-სა და InGaAs-ს შორის ზოლის უფსკრულის დიდი სხვაობის გათვალისწინებით, ვალენტურ ზოლში დაახლოებით 0.4 eV ენერგიის დონის სხვაობა InGaAs შთანთქმის ფენაში წარმოქმნილ ხვრელებს ჰეტეროშეერთების კიდეზე ბლოკავს InP გამრავლების ფენამდე მიღწევამდე და სიჩქარე მნიშვნელოვნად მცირდება, რაც იწვევს ამ APD-ის ხანგრძლივ რეაგირების დროს და ვიწრო გამტარობას. ეს პრობლემა შეიძლება გადაწყდეს ორ მასალას შორის InGaAsP გარდამავალი ფენის დამატებით.
(4) შთანთქმის, გრადიენტის, მუხტისა და გაძლიერების (SAGCM) სტრუქტურები შემოთავაზებულია შესაბამისად
შთანთქმის ფენის და გაძლიერების ფენის ელექტრული ველის განაწილების შემდგომი რეგულირების მიზნით, მოწყობილობის დიზაინში შეჰყავთ მუხტის ფენა, რაც მნიშვნელოვნად აუმჯობესებს მოწყობილობის სიჩქარეს და რეაგირებას.
(5) რეზონატორით გაძლიერებული (RCE) SAGCM სტრუქტურა
ტრადიციული დეტექტორების ზემოთ მოცემულ ოპტიმალურ დიზაინში უნდა გავაცნობიეროთ ის ფაქტი, რომ შთანთქმის ფენის სისქე მოწყობილობის სიჩქარისა და კვანტური ეფექტურობისთვის წინააღმდეგობრივი ფაქტორია. შთანთქმის ფენის თხელი სისქე ამცირებს მატარებლის ტრანზიტის დროს, ამიტომ შესაძლებელია დიდი გამტარუნარიანობის მიღება. თუმცა, ამავდროულად, უფრო მაღალი კვანტური ეფექტურობის მისაღწევად, შთანთქმის ფენას საკმარისი სისქე უნდა ჰქონდეს. ამ პრობლემის გადაწყვეტა შეიძლება იყოს რეზონანსული ღრუს (RCE) სტრუქტურა, ანუ განაწილებული ბრაგის რეფლექტორი (DBR), რომელიც შექმნილია მოწყობილობის ქვედა და ზედა ნაწილში. DBR სარკე შედგება ორი სახის მასალისგან, რომლებსაც აქვთ დაბალი და მაღალი რეფრაქციული ინდექსი სტრუქტურაში, და ორივე იზრდება მონაცვლეობით, ხოლო თითოეული ფენის სისქე ხვდება ნახევარგამტარში დაცემული სინათლის ტალღის სიგრძეს 1/4. დეტექტორის რეზონატორული სტრუქტურა აკმაყოფილებს სიჩქარის მოთხოვნებს, შთანთქმის ფენის სისქე შეიძლება ძალიან თხელი გახდეს და ელექტრონის კვანტური ეფექტურობა იზრდება რამდენიმე არეკვლის შემდეგ.
(6) კიდესთან შეერთებული ტალღის გამტარი სტრუქტურა (WG-APD)
შთანთქმის ფენის სისქის მოწყობილობის სიჩქარესა და კვანტურ ეფექტურობაზე სხვადასხვა ეფექტის წინააღმდეგობის გადაჭრის კიდევ ერთი გამოსავალია კიდეებთან შეერთებული ტალღის გამტარის სტრუქტურის დანერგვა. ეს სტრუქტურა სინათლეში გვერდიდან შედის, რადგან შთანთქმის ფენა ძალიან გრძელია, მაღალი კვანტური ეფექტურობის მიღწევა ადვილია და ამავდროულად, შთანთქმის ფენა შეიძლება ძალიან თხელი გახდეს, რაც ამცირებს მატარებლის ტრანზიტის დროს. ამიტომ, ეს სტრუქტურა წყვეტს გამტარობისა და ეფექტურობის განსხვავებულ დამოკიდებულებას შთანთქმის ფენის სისქეზე და მოსალოდნელია მაღალი სიჩქარისა და მაღალი კვანტური ეფექტურობის APD-ის მიღწევა. WG-APD პროცესი უფრო მარტივია, ვიდრე RCE APD-ის, რაც გამორიცხავს DBR სარკის მომზადების რთულ პროცესს. ამიტომ, ის უფრო მიზანშეწონილია პრაქტიკულ სფეროში და შესაფერისია საერთო სიბრტყის ოპტიკური კავშირისთვის.
3. დასკვნა
ზვავის განვითარებაფოტოდეტექტორიმასალები და მოწყობილობები განიხილება. InP მასალების ელექტრონებისა და ხვრელების შეჯახების იონიზაციის სიჩქარეები ახლოსაა InAlAs-ის სიჩქარეებთან, რაც იწვევს ორი მატარებლის სიმბიონის ორმაგ პროცესს, რაც ახანგრძლივებს ზვავის წარმოქმნის დროს და ზრდის ხმაურს. სუფთა InAlAs მასალებთან შედარებით, InGaAs (P)/InAlAs და In (Al)GaAs/InAlAs კვანტურ ჭის სტრუქტურებს აქვთ შეჯახების იონიზაციის კოეფიციენტების გაზრდილი თანაფარდობა, ამიტომ ხმაურის მახასიათებლები შეიძლება მნიშვნელოვნად შეიცვალოს. სტრუქტურის თვალსაზრისით, რეზონატორულად გაძლიერებული (RCE) SAGCM სტრუქტურა და კიდეებთან შეერთებული ტალღის გამტარი სტრუქტურა (WG-APD) შემუშავებულია შთანთქმის ფენის სისქის სხვადასხვა ეფექტების წინააღმდეგობების გადასაჭრელად მოწყობილობის სიჩქარესა და კვანტურ ეფექტურობაზე. პროცესის სირთულის გამო, ამ ორი სტრუქტურის სრული პრაქტიკული გამოყენება შემდგომ შესწავლას საჭიროებს.
გამოქვეყნების დრო: 2023 წლის 14 ნოემბერი