المبدأ والوضع الحاليكاشف ضوئي للانهيارات الجليدية (كاشف ضوئي APD) الجزء الثاني
2.2 بنية شريحة APD
يُعدّ هيكل الشريحة المعقول الضمان الأساسي للأجهزة عالية الأداء. يُراعي التصميم الهيكلي لـ APD بشكل أساسي ثابت زمن RC، واحتجاز الثقوب عند الوصلة غير المتجانسة، وزمن عبور الناقل عبر منطقة الاستنفاد، وغيرها. يُلخّص تطور هيكلها فيما يلي:
(1) البنية الأساسية
يعتمد أبسط هيكل APD على الصمام الثنائي الضوئي PIN، حيث تُشَوَّب منطقتا P وN بكثافة، وتُدخَل منطقة التنافر المزدوج من النوع N أو P في منطقة P أو N المجاورة لتوليد إلكترونات ثانوية وأزواج فجوات، وذلك لتحقيق تضخيم التيار الضوئي الأساسي. بالنسبة لمواد سلسلة InP، ولأن معامل تأين تأثير الفجوات أكبر من معامل تأين تأثير الإلكترونات، تُوضَع منطقة الكسب للتشويب من النوع N عادةً في منطقة P. في الوضع المثالي، تُحقن الفجوات فقط في منطقة الكسب، لذا تُسمى هذه البنية بنية محقونة بالثقوب.
(2) يتم التمييز بين الامتصاص والكسب
بسبب خصائص فجوة النطاق العريض لـ InP (InP هو 1.35 إلكترون فولت و InGaAs هو 0.75 إلكترون فولت)، يتم استخدام InP عادةً كمادة لمنطقة الكسب و InGaAs كمادة لمنطقة الامتصاص.
(3) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والكسب (SAGM) على التوالي
في الوقت الحاضر، تستخدم معظم أجهزة APD التجارية مادة InP/InGaAs، حيث يكون InGaAs طبقة امتصاص، ويمكن استخدام InP تحت مجال كهربائي عالٍ (>5x105V/cm) دون انهيار، كمادة لمنطقة كسب. بالنسبة لهذه المادة، يتمثل تصميم APD هذا في أن عملية الانهيار الجليدي تتشكل في InP من النوع N عن طريق تصادم الثقوب. بالنظر إلى الاختلاف الكبير في فجوة النطاق بين InP وInGaAs، فإن فرق مستوى الطاقة البالغ حوالي 0.4 إلكترون فولت في نطاق التكافؤ يجعل الثقوب المتولدة في طبقة امتصاص InGaAs مسدودة عند حافة الوصلة غير المتجانسة قبل الوصول إلى طبقة مضاعف InP وتقل السرعة بشكل كبير، مما يؤدي إلى وقت استجابة طويل وعرض نطاق ضيق لهذا APD. يمكن حل هذه المشكلة بإضافة طبقة انتقالية من InGaAsP بين المادتين.
(4) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والشحنة والمكسب (SAGCM) على التوالي
من أجل ضبط توزيع المجال الكهربائي لطبقة الامتصاص وطبقة الكسب بشكل أكبر، يتم إدخال طبقة الشحن في تصميم الجهاز، مما يحسن بشكل كبير من سرعة الجهاز واستجابته.
(5) هيكل SAGCM المعزز بالرنان (RCE)
في التصميم الأمثل للكاشفات التقليدية، يجب أن ندرك أن سمك طبقة الامتصاص عاملٌ متعارضٌ لسرعة الجهاز وكفاءته الكمية. يُمكن لسمك طبقة الامتصاص الرقيق أن يُقلل من زمن انتقال الموجة الحاملة، مما يُتيح نطاقًا تردديًا كبيرًا. مع ذلك، وللحصول على كفاءة كمية أعلى، يجب أن تكون طبقة الامتصاص ذات سمك كافٍ. يُمكن حل هذه المشكلة من خلال بنية تجويف الرنين (RCE)، أي تصميم عاكس براغ الموزع (DBR) في أسفل الجهاز وأعلى. تتكون مرآة DBR من نوعين من المواد ذات معامل انكسار منخفض ومعامل انكسار مرتفع في بنيتها، وينمو كلاهما بالتناوب، ويتوافق سمك كل طبقة مع طول موجة الضوء الساقط 1/4 في أشباه الموصلات. يُمكن لبنية الرنان للكاشف أن تُلبي متطلبات السرعة، ويمكن جعل سمك طبقة الامتصاص رقيقًا جدًا، مما يزيد من الكفاءة الكمية للإلكترون بعد عدة انعكاسات.
(6) بنية الموجة المقترنة بالحافة (WG-APD)
هناك حل آخر لمشكلة اختلاف تأثيرات سمك طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز وكفاءة الكم، وهو استخدام بنية الدليل الموجي المقترن بالحافة. يدخل هذا الهيكل الضوء من الجانب، ولأن طبقة الامتصاص طويلة جدًا، يسهل تحقيق كفاءة كمومية عالية، وفي الوقت نفسه، يمكن جعل طبقة الامتصاص رقيقة جدًا، مما يقلل من زمن عبور الموجة الحاملة. لذلك، يحل هذا الهيكل مشكلة اختلاف اعتماد عرض النطاق الترددي والكفاءة على سمك طبقة الامتصاص، ومن المتوقع أن يحقق معدلًا وكفاءة كمومية عالية لتحليل البيانات (APD). عملية تحليل البيانات (APD) باستخدام WG-APD أبسط من عملية تحليل البيانات (APD) باستخدام RCE، مما يُغني عن عملية التحضير المعقدة لمرآة DBR. وبالتالي، فهو أكثر جدوى في المجال العملي ومناسب للاتصال البصري المستوي الشائع.
3. الخاتمة
تطور الانهيار الجليديكاشف ضوئيتمت مراجعة المواد والأجهزة. معدلات تأين تصادم الإلكترونات والفجوات في مواد InP قريبة من معدلات InAlAs، مما يؤدي إلى العملية المزدوجة لتماثلات الناقلين، مما يجعل وقت بناء الانهيار أطول ويزيد الضوضاء. بالمقارنة مع مواد InAlAs النقية، فإن هياكل الآبار الكمومية InGaAs (P) / InAlAs و In (Al) GaAs / InAlAs لها نسبة متزايدة من معاملات تأين التصادم، وبالتالي يمكن تغيير أداء الضوضاء بشكل كبير. من حيث البنية، تم تطوير بنية SAGCM المعززة بالرنان (RCE) وبنية الدليل الموجي المقترن بالحافة (WG-APD) من أجل حل تناقضات التأثيرات المختلفة لسمك طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز وكفاءة الكم. نظرًا لتعقيد العملية، يحتاج التطبيق العملي الكامل لهاتين الهيكلين إلى مزيد من الاستكشاف.
وقت النشر: ١٤ نوفمبر ٢٠٢٣