المبدأ والوضع الحالي للكاشف الضوئي للانهيار الجليدي (APD photodetector) الجزء الثاني

المبدأ والوضع الحاليكاشف ضوئي الانهيار الجليدي (كاشف ضوئي APD) الجزء الثاني

2.2 هيكل رقاقة APD
هيكل الشريحة المعقول هو الضمان الأساسي للأجهزة عالية الأداء.يأخذ التصميم الهيكلي لـ APD بشكل أساسي في الاعتبار ثابت وقت RC، والتقاط الثقب عند التقاطع غير المتجانس، ووقت عبور الناقل عبر منطقة النضوب وما إلى ذلك.ويتلخص تطور هيكلها فيما يلي:

(1) الهيكل الأساسي
يعتمد أبسط هيكل APD على الصمام الثنائي الضوئي PIN، وتكون المنطقة P والمنطقة N مخدرة بشدة، ويتم إدخال المنطقة الطاردة المزدوجة من النوع N أو النوع P في المنطقة P المجاورة أو المنطقة N لتوليد إلكترونات ثانوية وثقب أزواج، وذلك لتحقيق تضخيم التيار الكهروضوئي الأساسي.بالنسبة لمواد سلسلة InP، نظرًا لأن معامل التأين بتأثير الثقب أكبر من معامل التأين بتأثير الإلكترون، فإن منطقة الكسب للمنشطات من النوع N يتم وضعها عادةً في المنطقة P.في الوضع المثالي، يتم حقن الثقوب فقط في منطقة الكسب، لذلك يُطلق على هذا الهيكل اسم الهيكل المحقون بالثقب.

(2) يتميز الامتصاص والكسب
نظرًا لخصائص فجوة النطاق الواسعة لـ InP (InP هو 1.35eV وInGaAs هو 0.75eV)، يتم استخدام InP عادةً كمواد لمنطقة الكسب وInGaAs كمواد لمنطقة الامتصاص.

(3) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والكسب (SAGM) على التوالي
في الوقت الحاضر، تستخدم معظم أجهزة APD التجارية مادة InP/InGaAs، ويمكن استخدام InGaAs كطبقة امتصاص، ويمكن استخدام InP تحت المجال الكهربائي العالي (> 5x105V/cm) بدون انهيار، كمادة لمنطقة كسب.بالنسبة لهذه المادة، فإن تصميم APD هذا هو أن عملية الانهيار الجليدي تتشكل في N-type InP عن طريق تصادم الثقوب.بالنظر إلى الاختلاف الكبير في فجوة النطاق بين InP وInGaAs، فإن فرق مستوى الطاقة البالغ حوالي 0.4eV في نطاق التكافؤ يجعل الثقوب المتولدة في طبقة امتصاص InGaAs مسدودة عند حافة الوصلة غير المتجانسة قبل الوصول إلى الطبقة المضاعفة InP وتكون السرعة كبيرة جدًا تم تقليله، مما أدى إلى وقت استجابة طويل ونطاق ترددي ضيق لهذا APD.يمكن حل هذه المشكلة عن طريق إضافة طبقة انتقالية InGaAsP بين المادتين.

(4) تم اقتراح هياكل الامتصاص والتدرج والشحنة والكسب (SAGCM) على التوالي
من أجل زيادة ضبط توزيع المجال الكهربائي لطبقة الامتصاص وطبقة الكسب، تم إدخال طبقة الشحن في تصميم الجهاز، مما يحسن بشكل كبير من سرعة الجهاز واستجابته.

(5) هيكل SAGCM المحسن للرنان (RCE).
في التصميم الأمثل للكاشفات التقليدية أعلاه، يجب أن نواجه حقيقة أن سمك طبقة الامتصاص هو عامل متناقض لسرعة الجهاز والكفاءة الكمية.يمكن للسمك الرقيق للطبقة الممتصة أن يقلل من وقت عبور الناقل، لذلك يمكن الحصول على عرض نطاق ترددي كبير.ومع ذلك، في الوقت نفسه، من أجل الحصول على كفاءة كمية أعلى، تحتاج طبقة الامتصاص إلى سمك كافٍ.يمكن أن يكون حل هذه المشكلة هو بنية تجويف الرنين (RCE)، أي أن عاكس Bragg الموزع (DBR) مصمم في الجزء السفلي والعلوي من الجهاز.تتكون مرآة DBR من نوعين من المواد ذات معامل انكسار منخفض ومعامل انكسار مرتفع في الهيكل، وينمو الاثنان بالتناوب، ويقابل سمك كل طبقة الطول الموجي للضوء الساقط 1/4 في شبه الموصل.يمكن لهيكل الرنان للكاشف أن يلبي متطلبات السرعة، ويمكن جعل سمك طبقة الامتصاص رقيقًا جدًا، وتزداد الكفاءة الكمية للإلكترون بعد عدة انعكاسات.

(6) بنية الدليل الموجي المقترنة بالحافة (WG-APD)
الحل الآخر لحل التناقض بين التأثيرات المختلفة لسمك طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز والكفاءة الكمومية هو تقديم بنية الدليل الموجي المقترنة بالحافة.يدخل هذا الهيكل الضوء من الجانب، لأن طبقة الامتصاص طويلة جدًا، فمن السهل الحصول على كفاءة كمية عالية، وفي الوقت نفسه، يمكن جعل طبقة الامتصاص رقيقة جدًا، مما يقلل من وقت عبور الناقل.لذلك، يحل هذا الهيكل الاعتماد المختلف لعرض النطاق الترددي والكفاءة على سمك طبقة الامتصاص، ومن المتوقع أن يحقق معدلًا عاليًا وكفاءة كمية عالية (APD).تعد عملية WG-APD أبسط من عملية RCE APD، مما يلغي عملية التحضير المعقدة لمرآة DBR.ولذلك، فهو أكثر جدوى في المجال العملي ومناسب للاتصال البصري المستوي المشترك.

3 - الخلاصة
تطور الانهيار الجليديphotodetectorتتم مراجعة المواد والأجهزة.إن معدلات تأين الإلكترونات وتصادم الثقوب لمواد InP قريبة من تلك الخاصة بـ InAlAs، مما يؤدي إلى العملية المزدوجة لتعايش الناقلين، مما يجعل وقت بناء الانهيار الجليدي أطول وزيادة الضوضاء.بالمقارنة مع مواد InAlAs النقية، تتمتع هياكل الآبار الكمومية InGaAs (P) /InAlAs وIn (Al) GaAs/InAlAs بنسبة متزايدة من معاملات التأين الاصطدام، لذلك يمكن تغيير أداء الضوضاء بشكل كبير.من حيث الهيكل، تم تطوير هيكل SAGCM المحسن للرنان (RCE) وهيكل الدليل الموجي المقترنة بالحافة (WG-APD) من أجل حل تناقضات التأثيرات المختلفة لسمك طبقة الامتصاص على سرعة الجهاز والكفاءة الكمومية.ونظرًا لتعقيد العملية، فإن التطبيق العملي الكامل لهذين الهيكلين يحتاج إلى مزيد من الاستكشاف.