Printzipioa eta egungo egoeraelur-jausien fotodetektagailua (APD fotodetektagailua) Bigarren zatia
2.2 APD txiparen egitura
Txip-egitura arrazoizkoa da errendimendu handiko gailuen oinarrizko bermea. APDren egitura-diseinuak batez ere RC denbora-konstantea, heterojunturako zuloen harrapaketa, agortze-eskualdean zehar eramailearen igarotze-denbora eta abar hartzen ditu kontuan. Bere egituraren garapena behean laburbiltzen da:
(1) Oinarrizko egitura
APD egitura sinpleena PIN fotodiodoan oinarritzen da, P eskualdea eta N eskualdea oso dopatuta daude, eta N motako edo P motako eskualde bikoitz uxaldatzailea ondoko P eskualdean edo N eskualdean sartzen da bigarren mailako elektroiak eta zulo bikoteak sortzeko, fotokorronte primarioaren anplifikazioa lortzeko. InP serieko materialetan, zuloen inpaktuaren ionizazio koefizientea elektroien inpaktuaren ionizazio koefizientea baino handiagoa denez, N motako dopaketaren irabazi eskualdea normalean P eskualdean jartzen da. Egoera ideal batean, zuloak bakarrik injektatzen dira irabazi eskualdean, beraz, egitura horri zulo-injektatutako egitura deitzen zaio.
(2) Xurgapena eta irabazia bereizten dira
InP-ren banda-tarte zabalaren ezaugarriengatik (InP 1.35 eV da eta InGaAs 0.75 eV), InP normalean irabazi-zonako material gisa erabiltzen da eta InGaAs xurgapen-zonako material gisa.
(3) Xurgapen, gradiente eta irabazi (SAGM) egiturak proposatzen dira, hurrenez hurren
Gaur egun, APD gailu komertzial gehienek InP/InGaAs materiala erabiltzen dute, InGaAs xurgapen-geruza gisa, eta InP eremu elektriko handien pean (>5x105V/cm) matxurarik gabe erabil daiteke irabazi-zonako material gisa. Material honetarako, APD honen diseinua da elur-jausi prozesua N motako InP-n zuloen talkaren bidez sortzen dela. InP eta InGaAs-en arteko banda-tartearen aldea handia dela kontuan hartuta, balentzia-bandan 0,4 eV inguruko energia-mailaren aldeak InGaAs xurgapen-geruzan sortutako zuloak heterojuntura-ertzean oztopatzen ditu InP biderkatzaile-geruzara iritsi aurretik, eta abiadura asko murrizten da, eta horren ondorioz APD honen erantzun-denbora luzea eta banda-zabalera estua lortzen da. Arazo hau konpondu daiteke bi materialen artean InGaAsP trantsizio-geruza bat gehituz.
(4) Xurgapen, gradiente, karga eta irabazi (SAGCM) egiturak proposatzen dira, hurrenez hurren.
Xurgapen-geruzaren eta irabazi-geruzaren eremu elektrikoaren banaketa gehiago doitzeko, karga-geruza sartzen da gailuaren diseinuan, eta horrek gailuaren abiadura eta erantzun-gaitasuna asko hobetzen ditu.
(5) Erresonadore hobetuaren (RCE) SAGCM egitura
Goian aipatutako detektagailu tradizionalen diseinu optimoan, kontuan hartu behar dugu xurgapen-geruzaren lodiera faktore kontraesankorra dela gailuaren abiadurarentzat eta eraginkortasun kuantikoarentzat. Xurgapen-geruzaren lodiera meheak eramailearen igarotze-denbora murriztu dezake, beraz, banda-zabalera handia lor daiteke. Hala ere, aldi berean, eraginkortasun kuantiko handiagoa lortzeko, xurgapen-geruzak lodiera nahikoa izan behar du. Arazo honen konponbidea erresonantzia-barrunbea (RCE) izan daiteke, hau da, banatutako Bragg islatzailea (DBR) gailuaren behealdean eta goialdean diseinatuta dago. DBR ispilua errefrakzio-indize baxua eta errefrakzio-indize altua duten bi material motaz osatuta dago, eta biak txandaka hazten dira, eta geruza bakoitzaren lodiera erdieroalean sartzen den argiaren uhin-luzeraren 1/4ra iristen da. Detektagailuaren erresonantzia-egiturak abiadura-eskakizunak bete ditzake, xurgapen-geruzaren lodiera oso mehea egin daiteke, eta elektroiaren eraginkortasun kuantikoa handitzen da hainbat islapen egin ondoren.
(6) Ertz-akoplatutako uhin-gidaren egitura (WG-APD)
Xurgapen-geruzaren lodierak gailuaren abiaduran eta eraginkortasun kuantikoan dituen efektu desberdinen kontraesana konpontzeko beste irtenbide bat ertz-akoplatutako uhin-gidaren egitura sartzea da. Egitura honek albotik sartzen du argia, xurgapen-geruza oso luzea denez, erraza da eraginkortasun kuantiko handia lortzea, eta, aldi berean, xurgapen-geruza oso mehea egin daiteke, eramailearen igarotze-denbora murriztuz. Beraz, egitura honek banda-zabaleraren eta eraginkortasunaren xurgapen-geruzaren lodierarekiko menpekotasun desberdina konpontzen du, eta APD abiadura handia eta eraginkortasun kuantiko handia lortzea espero da. WG-APD prozesua RCE APD baino sinpleagoa da, eta horrek DBR ispiluaren prestaketa-prozesu konplexua ezabatzen du. Beraz, bideragarriagoa da praktikan eta egokia da plano komuneko konexio optikorako.
3. Ondorioa
Elur-jausien garapenafotodetektagailuMaterialak eta gailuak berrikusten dira. InP materialen elektroi eta zuloen talkaren ionizazio-tasak InAlAs-en antzekoak dira, eta horrek bi eramaile-sinbioien prozesu bikoitza dakar, elur-jausien eraikuntza-denbora luzatzen duena eta zarata handitzen duena. InAlAs material puruekin alderatuta, InGaAs (P) /InAlAs eta In (Al) GaAs/InAlAs putzu kuantikoen egiturek talka-ionizazio-koefizienteen erlazio handiagoa dute, beraz, zarataren errendimendua asko alda daiteke. Egiturari dagokionez, erresonadorearen bidez hobetutako (RCE) SAGCM egitura eta ertz-akoplatutako uhin-gidaren egitura (WG-APD) garatu dira xurgapen-geruzaren lodierak gailuaren abiaduran eta eraginkortasun kuantikoan dituen efektu desberdinen kontraesanak konpontzeko. Prozesuaren konplexutasuna dela eta, bi egitura hauen aplikazio praktiko osoa gehiago aztertu behar da.
Argitaratze data: 2023ko azaroaren 14a