зарчим ба одоогийн нөхцөл байдалцасан нурангийн фотодетектор (APD фотодетектор) Хоёрдугаар хэсэг
2.2 APD чипийн бүтэц
Чипийн зохистой бүтэц нь өндөр гүйцэтгэлтэй төхөөрөмжүүдийн үндсэн баталгаа юм. APD-ийн бүтцийн дизайн нь голчлон RC хугацааны тогтмол, гетеро уулзвар дээрх нүхийг барих, хомсдолын бүсээр дамжин өнгөрөх тээвэрлэгчийн дамжин өнгөрөх хугацаа гэх мэтийг харгалзан үздэг. Түүний бүтцийн хөгжлийг доор нэгтгэн харуулав.
(1) Үндсэн бүтэц
Хамгийн энгийн APD бүтэц нь PIN фотодиод дээр суурилдаг бөгөөд P бүс ба N бүс нь их хэмжээгээр хольцтой бөгөөд N төрлийн эсвэл P төрлийн давхар няцаах бүсийг зэргэлдээх P бүс эсвэл N бүсэд нэвтрүүлж, хоёрдогч электрон ба нүхний хосыг үүсгэж, анхдагч фото гүйдлийн олшруулалтыг бий болгодог. InP цуврал материалын хувьд нүхний цохилтын ионжуулалтын коэффициент нь электроны цохилтын ионжуулалтын коэффициентоос их байдаг тул N төрлийн хольцын олшруулах бүсийг ихэвчлэн P бүсэд байрлуулдаг. Хамгийн тохиромжтой нөхцөлд зөвхөн нүхийг олшруулах бүсэд шахдаг тул энэ бүтцийг нүхээр шахах бүтэц гэж нэрлэдэг.
(2) Шингээлт ба олшруулалтыг ялгадаг
InP-ийн өргөн зурвасын зайн шинж чанараас шалтгаалан (InP нь 1.35eV ба InGaAs нь 0.75eV) InP-ийг ихэвчлэн олшруулах бүсийн материал, InGaAs-ийг шингээлтийн бүсийн материал болгон ашигладаг.
(3) Шингээлт, градиент болон олшруулалтын (SAGM) бүтцийг тус тус санал болгож байна.
Одоогийн байдлаар ихэнх арилжааны APD төхөөрөмжүүд нь InP/InGaAs материалыг ашигладаг бөгөөд InGaAs нь шингээлтийн давхарга бөгөөд InP нь өндөр цахилгаан орон (>5x105V/cm) дор эвдрэлгүйгээр ашиглагддаг бөгөөд олшруулах бүсийн материал болгон ашиглаж болно. Энэ материалын хувьд энэхүү APD-ийн загвар нь нүхнүүдийн мөргөлдөөнөөр N хэлбэрийн InP-д нуранги үүсэх процесс үүсдэгт оршино. InP ба InGaAs-ийн хоорондох зурвасын зайны том ялгааг харгалзан үзвэл валентийн зурвасын энергийн түвшний зөрүү нь InGaAs шингээлтийн давхаргад үүссэн нүхнүүдийг InP үржүүлэгч давхаргад хүрэхээс өмнө гетеро уулзварын ирмэг дээр бөглөрүүлж, хурдыг эрс бууруулж, энэ APD-ийн хариу үйлдэл үзүүлэх хугацаа урт, зурвасын өргөн нарийсдаг. Энэ асуудлыг хоёр материалын хооронд InGaAsP шилжилтийн давхарга нэмж шийдэж болно.
(4) Шингээлт, градиент, цэнэг ба олшруулалтын (SAGCM) бүтцийг тус тус санал болгож байна.
Шингээлтийн давхарга болон олшруулалтын давхаргын цахилгаан орны тархалтыг цаашид тохируулахын тулд төхөөрөмжийн загварт цэнэгийн давхаргыг оруулсан бөгөөд энэ нь төхөөрөмжийн хурд болон хариу үйлдлийг ихээхэн сайжруулдаг.
(5) Резонаторын сайжруулсан (RCE) SAGCM бүтэц
Дээрх уламжлалт илрүүлэгчийн оновчтой загварт шингээлтийн давхаргын зузаан нь төхөөрөмжийн хурд болон квант үр ашгийн хувьд зөрчилтэй хүчин зүйл гэдгийг бид хүлээн зөвшөөрөх ёстой. Шингээгч давхаргын нимгэн зузаан нь тээвэрлэгчийн дамжин өнгөрөх хугацааг бууруулж, улмаар том зурвасын өргөнийг олж авах боломжтой. Гэсэн хэдий ч өндөр квант үр ашгийг олж авахын тулд шингээлтийн давхарга хангалттай зузаантай байх шаардлагатай. Энэ асуудлын шийдэл нь резонансын хөндий (RCE) бүтэц байж болох юм, өөрөөр хэлбэл тархсан Брэгг тусгал (DBR) нь төхөөрөмжийн доод ба дээд хэсэгт зохион бүтээгдсэн байдаг. DBR толь нь бага хугарлын индекс ба өндөр хугарлын индекс бүхий хоёр төрлийн материалаас бүрдэх бөгөөд хоёулаа ээлжлэн ургадаг бөгөөд давхарга бүрийн зузаан нь хагас дамжуулагч дахь тусах гэрлийн долгионы уртыг 1/4-тэй тэнцүү болгодог. Илрүүлэгчийн резонаторын бүтэц нь хурдны шаардлагыг хангаж, шингээлтийн давхаргын зузааныг маш нимгэн болгож, хэд хэдэн тусгалын дараа электроны квант үр ашгийг нэмэгдүүлдэг.
(6) Ирмэгтэй холбогдсон долгион хөтлүүрийн бүтэц (WG-APD)
Төхөөрөмжийн хурд болон квант үр ашигт шингээлтийн давхаргын зузааны янз бүрийн нөлөөллийн зөрчилдөөнийг шийдвэрлэх өөр нэг шийдэл бол ирмэгтэй холбогдсон долгион хөтлүүрийн бүтцийг нэвтрүүлэх явдал юм. Энэхүү бүтэц нь хажуу талаас гэрэлд нэвтэрдэг, учир нь шингээлтийн давхарга нь маш урт тул өндөр квант үр ашгийг олж авахад хялбар бөгөөд үүний зэрэгцээ шингээлтийн давхаргыг маш нимгэн болгож, тээвэрлэгчийн дамжин өнгөрөх хугацааг багасгадаг. Тиймээс энэхүү бүтэц нь зурвасын өргөн болон үр ашгийн шингээлтийн давхаргын зузаанаас хамаарах ялгаатай байдлыг шийдэж, өндөр хурдтай, өндөр квант үр ашигтай APD-д хүрнэ гэж найдаж байна. WG-APD-ийн процесс нь RCE APD-ээс илүү хялбар бөгөөд DBR толин тусгалыг бэлтгэх нарийн төвөгтэй процессыг арилгадаг. Тиймээс энэ нь практик салбарт илүү боломжтой бөгөөд нийтлэг хавтгай оптик холболтод тохиромжтой.
3. Дүгнэлт
Цасан нурангийн хөгжилфотодетекторматериал болон төхөөрөмжүүдийг хянаж үзсэн. InP материалын электрон ба нүхний мөргөлдөөний ионжуулалтын хурд нь InAlAs-тай ойролцоо байгаа нь хоёр зөөгч симбионы давхар процесст хүргэдэг бөгөөд энэ нь нуранги үүсэх хугацааг уртасгаж, дуу чимээг нэмэгдүүлдэг. Цэвэр InAlAs материалтай харьцуулахад InGaAs (P) /InAlAs болон In (Al) GaAs/InAlAs квант худгийн бүтэц нь мөргөлдөөний ионжуулалтын коэффициентийн харьцааг нэмэгдүүлдэг тул дуу чимээний гүйцэтгэлийг ихээхэн өөрчилж болно. Бүтцийн хувьд резонатороор сайжруулсан (RCE) SAGCM бүтэц болон ирмэгээр холбогдсон долгион хөтлөх бүтэц (WG-APD)-ийг шингээлтийн давхаргын зузаан нь төхөөрөмжийн хурд болон квант үр ашигт үзүүлэх янз бүрийн нөлөөллийн зөрчилдөөнийг шийдвэрлэх зорилгоор боловсруулсан. Үйл явцын нарийн төвөгтэй байдлаас шалтгаалан эдгээр хоёр бүтцийн бүрэн практик хэрэглээг цаашид судлах шаардлагатай байна.
Нийтэлсэн цаг: 2023 оны 11-р сарын 14