หลักการและสถานการณ์ปัจจุบันของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม (APD photodetector) ตอนที่ 2

หลักการและสถานการณ์ปัจจุบันของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) ภาคสอง

2.2 โครงสร้างชิป APD
โครงสร้างชิปที่เหมาะสมเป็นการรับประกันพื้นฐานของอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง การออกแบบโครงสร้างของ APD พิจารณาค่าคงที่ของเวลา RC การจับรูที่เฮเทอโรจันก์ชัน เวลาขนส่งของพาหะผ่านบริเวณการพร่อง เป็นต้น การพัฒนาโครงสร้างสรุปได้ดังนี้:

(1) โครงสร้างพื้นฐาน
โครงสร้าง APD ที่ง่ายที่สุดนั้นใช้ PIN photodiode เป็นพื้นฐาน โดยบริเวณ P และบริเวณ N จะถูกเจือปนอย่างหนัก และบริเวณ N-type หรือ P-type จะถูกใส่เข้าไปในบริเวณ P หรือบริเวณ N ที่อยู่ติดกันเพื่อสร้างอิเล็กตรอนรองและคู่โฮล เพื่อให้สามารถขยายโฟโตเคอร์เรนต์หลักได้ สำหรับวัสดุซีรีส์ InP เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของผลกระทบจากโฮลมีค่ามากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของผลกระทบจากอิเล็กตรอน บริเวณเกนของการเจือปนแบบ N จึงมักจะถูกวางไว้ในบริเวณ P ในสถานการณ์ที่เหมาะสม จะมีการฉีดเฉพาะโฮลเข้าไปในบริเวณเกน ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงเรียกว่าโครงสร้างที่ฉีดโฮล

(2) การดูดซึมและการได้รับแตกต่างกัน
เนื่องจากลักษณะแบนด์แก๊ปที่กว้างของ InP (InP คือ 1.35eV และ InGaAs คือ 0.75eV) จึงมักใช้ InP เป็นวัสดุของโซนเกน และใช้ InGaAs เป็นวัสดุของโซนการดูดกลืน

微信Image_20230809160614

(3) เสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ และการขยาย (SAGM) ตามลำดับ
ปัจจุบัน อุปกรณ์ APD เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้วัสดุ InP/InGaAs โดย InGaAs เป็นชั้นดูดซับ InP ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง (>5x105V/cm) โดยไม่เกิดการพังทลาย สามารถใช้เป็นวัสดุโซนเกนได้ สำหรับวัสดุนี้ การออกแบบ APD นี้คือกระบวนการถล่มเกิดขึ้นใน InP ชนิด N โดยการชนกันของรู เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างอย่างมากในแบนด์แก๊ประหว่าง InP และ InGaAs ความแตกต่างของระดับพลังงานประมาณ 0.4eV ในแบนด์วาเลนซ์ทำให้รูที่เกิดขึ้นในชั้นดูดซับ InGaAs ถูกปิดกั้นที่ขอบเฮเทอโรจันก์ชันก่อนจะไปถึงชั้นตัวคูณ InP และความเร็วจะลดลงอย่างมาก ส่งผลให้เวลาตอบสนองยาวนานและแบนด์วิดท์แคบของ APD นี้ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มชั้นทรานสิชั่น InGaAsP ระหว่างวัสดุทั้งสอง

(4) เสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ การชาร์จ และการขยาย (SAGCM) ตามลำดับ
เพื่อปรับการกระจายสนามไฟฟ้าของชั้นการดูดซับและชั้นเกนให้ดีขึ้นอีก จึงได้นำชั้นประจุเข้าไปในการออกแบบอุปกรณ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเร็วและการตอบสนองของอุปกรณ์ได้อย่างมาก

(5) โครงสร้าง SAGCM ที่ได้รับการปรับปรุงเรโซเนเตอร์ (RCE)
ในการออกแบบเครื่องตรวจจับแบบดั้งเดิมที่เหมาะสมที่สุดข้างต้น เราต้องเผชิญกับความจริงที่ว่าความหนาของชั้นการดูดซับเป็นปัจจัยที่ขัดแย้งกันสำหรับความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม ความหนาบางของชั้นการดูดซับสามารถลดเวลาการขนส่งของพาหะได้ ดังนั้นจึงสามารถรับแบนด์วิดท์ขนาดใหญ่ได้ อย่างไรก็ตาม ในเวลาเดียวกัน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงขึ้น ชั้นการดูดซับจำเป็นต้องมีความหนาที่เพียงพอ วิธีแก้ปัญหานี้อาจใช้โครงสร้างโพรงเรโซแนนซ์ (RCE) กล่าวคือ ได้มีการออกแบบตัวสะท้อนแสงแบร็กก์แบบกระจาย (DBR) ไว้ที่ด้านล่างและด้านบนของอุปกรณ์ กระจก DBR ประกอบด้วยวัสดุสองชนิดที่มีดัชนีการหักเหแสงต่ำและดัชนีการหักเหแสงสูงในโครงสร้าง และทั้งสองชนิดจะเติบโตสลับกัน และความหนาของแต่ละชั้นจะตรงกับความยาวคลื่นแสงตกกระทบ 1/4 ในเซมิคอนดักเตอร์ โครงสร้างเรโซเนเตอร์ของเครื่องตรวจจับสามารถตอบสนองความต้องการด้านความเร็วได้ ความหนาของชั้นการดูดซับสามารถทำให้บางลงได้มาก และประสิทธิภาพควอนตัมของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นหลังจากการสะท้อนหลายครั้ง

(6) โครงสร้างท่อนำคลื่นแบบเชื่อมขอบ (WG-APD)
วิธีแก้ปัญหาอื่นในการแก้ไขข้อขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นการดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัมคือการแนะนำโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบจับคู่ขอบ โครงสร้างนี้เข้าสู่แสงจากด้านข้าง เนื่องจากชั้นการดูดซับมีความยาวมาก จึงง่ายต่อการได้รับประสิทธิภาพควอนตัมสูง และในขณะเดียวกัน ชั้นการดูดซับก็สามารถทำให้บางมากได้ ซึ่งจะช่วยลดเวลาการขนส่งของพาหะ ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงแก้ปัญหาการพึ่งพาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพที่แตกต่างกันบนความหนาของชั้นการดูดซับ และคาดว่าจะบรรลุอัตราสูงและประสิทธิภาพควอนตัม APD สูง กระบวนการของ WG-APD นั้นง่ายกว่า RCE APD ซึ่งขจัดขั้นตอนการเตรียมกระจก DBR ที่ซับซ้อน ดังนั้นจึงเป็นไปได้มากกว่าในสนามปฏิบัติจริงและเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อออปติกระนาบทั่วไป

微信Image_20231114094225

3. บทสรุป
การพัฒนาของหิมะถล่มเครื่องตรวจจับภาพวัสดุและอุปกรณ์ได้รับการตรวจสอบแล้ว อัตราการแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันของอิเล็กตรอนและหลุมของวัสดุ InP นั้นใกล้เคียงกับของ InAlAs ซึ่งนำไปสู่กระบวนการคู่ขนานของซิมไบโอนของพาหะทั้งสอง ซึ่งทำให้เวลาในการสร้างหิมะถล่มนานขึ้นและเสียงรบกวนก็เพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ InAlAs บริสุทธิ์ โครงสร้างควอนตัมเวลล์ InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs จะมีอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นประสิทธิภาพของเสียงรบกวนจึงเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ในแง่ของโครงสร้าง โครงสร้าง SAGCM ที่เสริมด้วยเรโซเนเตอร์ (RCE) และโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบมีขอบคู่ (WG-APD) ได้รับการพัฒนาเพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นการดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม เนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการ จึงจำเป็นต้องศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับการใช้งานจริงของโครงสร้างทั้งสองนี้


เวลาโพสต์: 14 พ.ย. 2566