De Prinzip an déi aktuell Situatioun vum Lawinenfotodetektor (APD-Fotodetektor) Zweeten Deel

De Prinzip an déi aktuell Situatioun vunLawinen-Fotodetektor (APD-Fotodetektor) Zweeten Deel

2.2 APD-Chipstruktur
Eng vernünfteg Chipstruktur ass déi grondleeënd Garantie fir héich performant Geräter. Den strukturellen Design vun APD berücksichtegt haaptsächlech d'RC-Zäitkonstant, d'Locherfassung um Heterojunction, d'Transitzäit vum Carrier duerch d'Depletiounsregioun asw. D'Entwécklung vu senger Struktur gëtt hei ënnendrënner zesummegefaasst:

(1) Grondstruktur
Déi einfachst APD-Struktur baséiert op der PIN-Photodiod, wou d'P-Regioun an d'N-Regioun staark dotiert sinn, an d'N-Typ oder P-Typ duebel ofstoussend Regioun gëtt an der ugrenzender P-Regioun oder N-Regioun agefouert, fir sekundär Elektronen a Lächerpaaren ze generéieren, fir d'Verstäerkung vum primäre Photostroum ze realiséieren. Fir Materialien aus der InP-Serie gëtt d'Verstärkungsregioun vun der N-Typ-Dotierung normalerweis an der P-Regioun placéiert, well de Lächer-Impakt-Ioniséierungskoeffizient méi grouss ass wéi de Elektronen-Impakt-Ioniséierungskoeffizient. An enger idealer Situatioun ginn nëmme Lächer an d'Verstärkungsregioun injizéiert, dofir gëtt dës Struktur als Lächer-injizéiert Struktur bezeechent.

(2) Absorptioun a Gewënn ginn ënnerscheet
Wéinst de breede Bandlückecharakteristike vun InP (InP ass 1,35 eV an InGaAs ass 0,75 eV), gëtt InP normalerweis als Material fir d'Verstärkungszon an InGaAs als Material fir d'Absorptiounszon benotzt.

(3) D'Absorptiouns-, Gradient- a Verstärkungsstrukturen (SAGM) ginn jeeweileg proposéiert.
Aktuell benotzen déi meescht kommerziell APD-Geräter InP/InGaAs-Material, InGaAs als Absorptiounsschicht, InP kann ënner engem héijen elektresche Feld (>5x105V/cm) ouni Duerchbroch als Material fir d'Verstärkungszon benotzt ginn. Fir dëst Material ass den Design vun dësem APD sou, datt de Lawinenprozess am N-Typ InP duerch d'Kollisioun vu Lächer geformt gëtt. Wéinst dem groussen Ënnerscheed an der Bandlück tëscht InP an InGaAs, verursaacht den Energieniveauënnerscheed vu ronn 0,4 eV am Valenzband, datt d'Lächer, déi an der InGaAs-Absorptiounsschicht generéiert ginn, um Heterojunction-Kant verstoppt ginn, ier se d'InP-Multiplikatorschicht erreechen, an d'Geschwindegkeet gëtt staark reduzéiert, wat zu enger laanger Reaktiounszäit an enger schmueler Bandbreet vun dësem APD féiert. Dëst Problem kann geléist ginn, andeems eng InGaAsP-Iwwergangsschicht tëscht den zwee Materialien bäigefüügt gëtt.

(4) D'Absorptiouns-, Gradient-, Ladungs- a Verstärkungsstrukturen (SAGCM) ginn jeeweileg proposéiert.
Fir d'elektrescht Feldverdeelung vun der Absorptiounsschicht an der Verstärkungsschicht weider unzepassen, gëtt d'Ladungsschicht an den Design vum Apparat agefouert, wat d'Geschwindegkeet an d'Reaktiounsfäegkeet vum Apparat däitlech verbessert.

(5) Resonatorverstäerkt (RCE) SAGCM Struktur
Beim uewe genannten optimalen Design vun traditionellen Detektoren musse mir eis der Tatsaach äusseren, datt d'Déckt vun der Absorptiounsschicht e widderspréchleche Faktor fir d'Geschwindegkeet vum Apparat an d'Quanteeffizienz ass. Déi dënn Déckt vun der Absorptiounsschicht kann d'Transportzäit vum Träger reduzéieren, sou datt eng grouss Bandbreet erreecht ka ginn. Fir awer gläichzäiteg eng méi héich Quanteeffizienz z'erreechen, muss d'Absorptiounsschicht eng ausreechend Déckt hunn. D'Léisung fir dëst Problem kann d'Resonanzkavitéitsstruktur (RCE) sinn, dat heescht, de verdeelte Bragg-Reflektor (DBR) ass um Buedem an uewen vum Apparat entworf. Den DBR-Spigel besteet aus zwou Zorte vu Materialien mat engem niddrege Breechungsindex an engem héije Breechungsindex an der Struktur, an déi zwee wuessen ofwiesselnd, an d'Déckt vun all Schicht entsprécht der Wellelängt vum afalen Liicht 1/4 am Halbleiter. D'Resonatorstruktur vum Detektor kann d'Geschwindegkeetsufuerderunge erfëllen, d'Déckt vun der Absorptiounsschicht kann ganz dënn gemaach ginn, an d'Quanteeffizienz vum Elektron gëtt no e puer Reflexiounen erhéicht.

(6) Kantgekoppelt Wellenleiterstruktur (WG-APD)
Eng aner Léisung fir de Widdersproch vun de verschiddenen Effekter vun der Déckt vun der Absorptiounsschicht op d'Geschwindegkeet vun den Apparater an d'Quanteeffizienz ze léisen ass d'Aféiere vun enger kantgekoppelter Wellenleiterstruktur. Dës Struktur kënnt vun der Säit an d'Liicht, well d'Absorptiounsschicht ganz laang ass, ass et einfach eng héich Quanteeffizienz z'erreechen, an zur selwechter Zäit kann d'Absorptiounsschicht ganz dënn gemaach ginn, wat d'Transportzäit vum Träger reduzéiert. Dofir léist dës Struktur déi ënnerschiddlech Ofhängegkeet vu Bandbreet an Effizienz vun der Déckt vun der Absorptiounsschicht, an et gëtt erwaart, datt se eng héich Rate an eng héich Quanteeffizienz vun der APD erreecht. De Prozess vun der WG-APD ass méi einfach wéi dee vun der RCE APD, wat de komplizéierte Virbereedungsprozess vum DBR-Spigel eliminéiert. Dofir ass et am praktesche Beräich méi machbar a gëeegent fir eng optesch Verbindung mat enger gemeinsamer Plang.

3. Schlussfolgerung
D'Entwécklung vun der LawinFotodetektorMaterialien an Apparater ginn iwwerpréift. D'Kollisiouns-Ioniséierungsraten vun Elektronen a Lach vun InP-Materialien leien no bei deene vun InAlAs, wat zu engem duebele Prozess vun den zwou Träger-Symbionen féiert, wouduerch d'Lawinenbildungszäit méi laang an de Kaméidi erhéicht gëtt. Am Verglach mat puren InAlAs-Materialien hunn InGaAs(P)/InAlAs an In(Al)GaAs/InAlAs Quantebrunnenstrukturen e méi héicht Verhältnis vu Kollisiounsioniséierungskoeffizienten, sou datt d'Kaméidi-Leeschtung staark verännert ka ginn. Wat d'Struktur ugeet, goufen eng resonatorverstäerkt (RCE) SAGCM-Struktur an eng kantgekoppelt Wellenleiterstruktur (WG-APD) entwéckelt, fir d'Widderspréch vun de verschiddenen Effekter vun der Absorptiounsschichtdicke op d'Apparatgeschwindegkeet an d'Quanteeffizienz ze léisen. Wéinst der Komplexitéit vum Prozess muss déi voll praktesch Uwendung vun dësen zwou Strukturen weider exploréiert ginn.