Prinsip dan situasi terkini daridetektor foto longsoran salju (Fotodetektor APDBagian Kedua
2.2 Struktur chip APD
Struktur chip yang wajar merupakan jaminan dasar perangkat berkinerja tinggi. Desain struktural APD terutama mempertimbangkan konstanta waktu RC, penangkapan lubang pada heterojunction, waktu transit pembawa muatan melalui daerah deplesi, dan sebagainya. Perkembangan strukturnya dirangkum di bawah ini:
(1) Struktur dasar
Struktur APD paling sederhana didasarkan pada fotodioda PIN, daerah P dan daerah N didoping secara intensif, dan daerah penolak ganda tipe-N atau tipe-P dimasukkan di daerah P atau daerah N yang berdekatan untuk menghasilkan pasangan elektron dan lubang sekunder, sehingga mewujudkan penguatan arus foto primer. Untuk material seri InP, karena koefisien ionisasi tumbukan lubang lebih besar daripada koefisien ionisasi tumbukan elektron, daerah penguatan doping tipe-N biasanya ditempatkan di daerah P. Dalam situasi ideal, hanya lubang yang diinjeksikan ke daerah penguatan, sehingga struktur ini disebut struktur injeksi lubang.
(2) Penyerapan dan perolehan dibedakan
Karena karakteristik celah pita yang lebar pada InP (InP adalah 1,35 eV dan InGaAs adalah 0,75 eV), InP biasanya digunakan sebagai material zona penguatan dan InGaAs sebagai material zona penyerapan.
(3) Struktur penyerapan, gradien, dan penguatan (SAGM) diusulkan masing-masing
Saat ini, sebagian besar perangkat APD komersial menggunakan material InP/InGaAs, dengan InGaAs sebagai lapisan absorpsi, dan InP di bawah medan listrik tinggi (>5x10⁵V/cm) tanpa kerusakan, dapat digunakan sebagai material zona penguatan. Untuk material ini, desain APD ini adalah proses longsoran terbentuk di InP tipe-N melalui tumbukan lubang. Mengingat perbedaan besar dalam celah pita antara InP dan InGaAs, perbedaan tingkat energi sekitar 0,4 eV di pita valensi menyebabkan lubang yang dihasilkan di lapisan absorpsi InGaAs terhalang di tepi heterojunction sebelum mencapai lapisan pengali InP dan kecepatannya sangat berkurang, sehingga menghasilkan waktu respons yang lama dan bandwidth yang sempit pada APD ini. Masalah ini dapat diatasi dengan menambahkan lapisan transisi InGaAsP di antara kedua material tersebut.
(4) Struktur penyerapan, gradien, muatan dan penguatan (SAGCM) diusulkan masing-masing
Untuk lebih menyesuaikan distribusi medan listrik lapisan absorpsi dan lapisan penguatan, lapisan muatan diperkenalkan ke dalam desain perangkat, yang sangat meningkatkan kecepatan dan responsivitas perangkat.
(5) Struktur SAGCM yang ditingkatkan resonator (RCE)
Dalam desain optimal detektor tradisional di atas, kita harus menghadapi kenyataan bahwa ketebalan lapisan absorpsi merupakan faktor yang bertentangan dengan kecepatan perangkat dan efisiensi kuantum. Ketebalan lapisan absorpsi yang tipis dapat mengurangi waktu transit pembawa muatan, sehingga bandwidth yang besar dapat diperoleh. Namun, pada saat yang sama, untuk mendapatkan efisiensi kuantum yang lebih tinggi, lapisan absorpsi perlu memiliki ketebalan yang cukup. Solusi untuk masalah ini adalah struktur rongga resonansi (RCE), yaitu, Reflektor Bragg Terdistribusi (DBR) dirancang di bagian bawah dan atas perangkat. Cermin DBR terdiri dari dua jenis material dengan indeks bias rendah dan indeks bias tinggi dalam strukturnya, dan keduanya tumbuh secara bergantian, dan ketebalan setiap lapisan memenuhi 1/4 panjang gelombang cahaya insiden dalam semikonduktor. Struktur resonansi detektor dapat memenuhi persyaratan kecepatan, ketebalan lapisan absorpsi dapat dibuat sangat tipis, dan efisiensi kuantum elektron meningkat setelah beberapa kali refleksi.
(6) Struktur pandu gelombang yang terhubung tepi (WG-APD)
Solusi lain untuk mengatasi kontradiksi antara efek berbeda dari ketebalan lapisan absorpsi pada kecepatan perangkat dan efisiensi kuantum adalah dengan memperkenalkan struktur pandu gelombang yang digabungkan tepi (edge-coupled waveguide). Struktur ini memasukkan cahaya dari samping, karena lapisan absorpsinya sangat panjang, mudah untuk mendapatkan efisiensi kuantum yang tinggi, dan pada saat yang sama, lapisan absorpsi dapat dibuat sangat tipis, mengurangi waktu transit pembawa muatan. Oleh karena itu, struktur ini memecahkan ketergantungan yang berbeda antara bandwidth dan efisiensi pada ketebalan lapisan absorpsi, dan diharapkan dapat mencapai APD dengan laju tinggi dan efisiensi kuantum tinggi. Proses WG-APD lebih sederhana daripada RCE APD, yang menghilangkan proses persiapan cermin DBR yang rumit. Oleh karena itu, lebih layak di lapangan dan cocok untuk koneksi optik bidang umum.
3. Kesimpulan
Perkembangan longsoran saljufotodetektorMakalah ini mengulas material dan perangkat. Laju ionisasi tumbukan elektron dan lubang pada material InP mendekati laju ionisasi pada InAlAs, yang menyebabkan proses ganda dari dua simbion pembawa muatan, sehingga waktu pembentukan longsoran menjadi lebih lama dan kebisingan meningkat. Dibandingkan dengan material InAlAs murni, struktur sumur kuantum InGaAs(P)/InAlAs dan In(Al)GaAs/InAlAs memiliki rasio koefisien ionisasi tumbukan yang meningkat, sehingga kinerja kebisingan dapat berubah secara signifikan. Dari segi struktur, struktur SAGCM yang ditingkatkan resonator (RCE) dan struktur pandu gelombang yang digabungkan tepi (WG-APD) dikembangkan untuk mengatasi kontradiksi efek yang berbeda dari ketebalan lapisan absorpsi pada kecepatan perangkat dan efisiensi kuantum. Karena kompleksitas prosesnya, aplikasi praktis penuh dari kedua struktur ini perlu dieksplorasi lebih lanjut.
Waktu posting: 14 November 2023