หลักการและสถานการณ์ปัจจุบันของเครื่องตรวจจับแสงถล่ม (โฟโตดีเทคเตอร์ APD) ตอนที่สอง
2.2 โครงสร้างชิป APD
โครงสร้างชิปที่เหมาะสมเป็นหลักประกันพื้นฐานของอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง การออกแบบโครงสร้างของ APD ส่วนใหญ่จะพิจารณาค่าคงที่เวลา RC การดักจับประจุบวกที่เฮเทอโรจังก์ชัน เวลาการเคลื่อนที่ของพาหะผ่านบริเวณการพร่องประจุ และอื่นๆ การพัฒนาโครงสร้างของ APD สรุปได้ดังนี้:
(1) โครงสร้างพื้นฐาน
โครงสร้าง APD ที่ง่ายที่สุดนั้นมีพื้นฐานมาจากโฟโตไดโอด PIN โดยบริเวณ P และบริเวณ N จะถูกเจือสารอย่างหนาแน่น และมีการเพิ่มบริเวณที่มีคุณสมบัติผลักกันสองชั้นแบบ N หรือแบบ P เข้าไปในบริเวณ P หรือบริเวณ N ที่อยู่ติดกัน เพื่อสร้างอิเล็กตรอนและคู่โฮลทุติยภูมิ ทำให้เกิดการขยายกระแสไฟฟ้าจากโฟโตไดโอดหลัก สำหรับวัสดุตระกูล InP เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนจากการกระทบของโฮลมีค่ามากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนจากการกระทบของอิเล็กตรอน บริเวณขยายสัญญาณที่มีการเจือสารแบบ N จึงมักจะถูกวางไว้ในบริเวณ P ในสถานการณ์ที่เหมาะสม จะมีเพียงโฮลเท่านั้นที่ถูกฉีดเข้าไปในบริเวณขยายสัญญาณ ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงเรียกว่าโครงสร้างแบบฉีดโฮล
(2) การดูดซับและการได้รับมีความแตกต่างกัน
เนื่องจากคุณสมบัติช่องว่างพลังงานกว้างของ InP (InP คือ 1.35 eV และ InGaAs คือ 0.75 eV) InP จึงมักถูกใช้เป็นวัสดุในโซนขยายสัญญาณ และ InGaAs ถูกใช้เป็นวัสดุในโซนดูดซับสัญญาณ
(3) โครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ และการขยาย (SAGM) ได้รับการเสนอตามลำดับ
ปัจจุบัน อุปกรณ์ APD เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้วัสดุ InP/InGaAs โดยใช้ InGaAs เป็นชั้นดูดซับ และ InP สามารถใช้เป็นวัสดุโซนขยายสัญญาณได้ภายใต้สนามไฟฟ้าสูง (>5x10⁵ V/cm) โดยไม่เกิดการพังทลาย สำหรับวัสดุนี้ การออกแบบ APD นี้คือการเกิดกระบวนการถล่มใน InP ชนิด N โดยการชนกันของโฮล เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างอย่างมากของช่องว่างพลังงานระหว่าง InP และ InGaAs ความแตกต่างของระดับพลังงานประมาณ 0.4 eV ในแถบวาเลนซ์ทำให้โฮลที่เกิดขึ้นในชั้นดูดซับ InGaAs ถูกขัดขวางที่ขอบเฮเทอโรจังก์ชันก่อนที่จะไปถึงชั้นตัวคูณ InP และความเร็วลดลงอย่างมาก ส่งผลให้เวลาตอบสนองนานและแบนด์วิดท์แคบของ APD นี้ ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มชั้นเปลี่ยนผ่าน InGaAsP ระหว่างวัสดุทั้งสอง
(4) โครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ ประจุ และกำไร (SAGCM) ได้รับการเสนอตามลำดับ
เพื่อปรับการกระจายสนามไฟฟ้าของชั้นดูดซับและชั้นขยายสัญญาณให้ดียิ่งขึ้น จึงมีการนำชั้นประจุเข้ามาในการออกแบบอุปกรณ์ ซึ่งช่วยเพิ่มความเร็วและการตอบสนองของอุปกรณ์ได้อย่างมาก
(5) โครงสร้าง SAGCM ที่ได้รับการปรับปรุงด้วยตัวเรโซเนเตอร์ (RCE)
ในการออกแบบตัวตรวจจับแบบดั้งเดิมที่เหมาะสมที่สุดข้างต้น เราต้องเผชิญกับความจริงที่ว่าความหนาของชั้นดูดซับเป็นปัจจัยที่ขัดแย้งกับความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม ความหนาที่บางของชั้นดูดซับสามารถลดเวลาการเคลื่อนที่ของพาหะ ทำให้ได้แบนด์วิดท์ที่กว้างขึ้น อย่างไรก็ตาม ในขณะเดียวกัน เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพควอนตัมที่สูงขึ้น ชั้นดูดซับจำเป็นต้องมีความหนาที่เพียงพอ วิธีแก้ปัญหานี้คือโครงสร้างโพรงเรโซแนนซ์ (RCE) นั่นคือการออกแบบตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) ที่ด้านล่างและด้านบนของอุปกรณ์ กระจก DBR ประกอบด้วยวัสดุสองชนิดที่มีดัชนีหักเหต่ำและดัชนีหักเหสูงในโครงสร้าง โดยทั้งสองชนิดจะเติบโตสลับกัน และความหนาของแต่ละชั้นตรงกับความยาวคลื่นแสงตกกระทบ 1/4 ในสารกึ่งตัวนำ โครงสร้างเรโซเนเตอร์ของตัวตรวจจับสามารถตอบสนองความต้องการด้านความเร็ว ความหนาของชั้นดูดซับสามารถทำให้บางมาก และประสิทธิภาพควอนตัมของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นหลังจากการสะท้อนหลายครั้ง
(6) โครงสร้างท่อนำคลื่นแบบเชื่อมต่อขอบ (WG-APD)
อีกวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม คือการนำโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบเชื่อมต่อขอบมาใช้ โครงสร้างนี้รับแสงจากด้านข้าง เนื่องจากชั้นดูดซับมีความยาวมาก จึงง่ายต่อการได้ประสิทธิภาพควอนตัมสูง และในขณะเดียวกัน ชั้นดูดซับก็สามารถทำให้บางมากได้ ซึ่งช่วยลดเวลาการเคลื่อนที่ของพาหะ ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงแก้ปัญหาการพึ่งพาที่แตกต่างกันของแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพต่อความหนาของชั้นดูดซับ และคาดว่าจะได้ APD ที่มีอัตราสูงและประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระบวนการผลิต WG-APD นั้นง่ายกว่า RCE APD ซึ่งช่วยขจัดกระบวนการเตรียมกระจก DBR ที่ซับซ้อน ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้มากกว่าในทางปฏิบัติและเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อทางแสงแบบระนาบทั่วไป
3. บทสรุป
การพัฒนาของหิมะถล่มโฟโตดีเทคเตอร์มีการทบทวนวัสดุและอุปกรณ์ต่างๆ อัตราการแตกตัวเป็นไอออนจากการชนกันของอิเล็กตรอนและโฮลในวัสดุ InP นั้นใกล้เคียงกับของ InAlAs ซึ่งนำไปสู่กระบวนการคู่ของตัวพาประจุสองตัว ทำให้เวลาในการสร้างการเกิดอะวาแลนซ์นานขึ้นและเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ InAlAs บริสุทธิ์ โครงสร้างควอนตัมเวลล์ InGaAs(P)/InAlAs และ In(Al)GaAs/InAlAs มีอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนจากการชนกันที่เพิ่มขึ้น ดังนั้นประสิทธิภาพด้านเสียงรบกวนจึงสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างมาก ในแง่ของโครงสร้าง โครงสร้าง SAGCM ที่เสริมด้วยเรโซเนเตอร์ (RCE) และโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบเชื่อมต่อขอบ (WG-APD) ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นดูดซับต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม เนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการ การประยุกต์ใช้งานจริงอย่างเต็มรูปแบบของโครงสร้างทั้งสองนี้จึงจำเป็นต้องมีการสำรวจเพิ่มเติม
วันที่โพสต์: 14 พฤศจิกายน 2023