หลักการและสถานการณ์ปัจจุบันของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) ตอนที่สอง
2.2 โครงสร้างชิป APD
โครงสร้างชิปที่เหมาะสมคือหลักประกันพื้นฐานของอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง การออกแบบโครงสร้างของ APD พิจารณาค่าคงที่เวลา RC, การจับหลุมที่เฮเทอโรจังก์ชัน, เวลาการขนส่งของพาหะผ่านบริเวณพร่อง และอื่นๆ การพัฒนาโครงสร้างสรุปได้ดังนี้:
(1) โครงสร้างพื้นฐาน
โครงสร้าง APD ที่ง่ายที่สุดนั้นใช้ PIN photodiode โดยบริเวณ P และบริเวณ N จะถูกโด๊ปอย่างหนัก และบริเวณ N-type หรือ P-type จะถูกป้อนเข้าสู่บริเวณ P หรือบริเวณ N ที่อยู่ติดกัน เพื่อสร้างอิเล็กตรอนทุติยภูมิและคู่โฮล เพื่อให้สามารถขยายโฟโตเคอร์เรนต์หลักได้ สำหรับวัสดุอนุกรม InP เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของโฮลที่กระทบมีค่ามากกว่าค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวของอิเล็กตรอนที่กระทบ จึงมักจะวางบริเวณเกนของการโด๊ปชนิด N ไว้ในบริเวณ P ในสถานการณ์ที่เหมาะสม จะมีเพียงโฮลเท่านั้นที่ถูกฉีดเข้าไปในบริเวณเกน ดังนั้นโครงสร้างนี้จึงเรียกว่าโครงสร้างแบบฉีดโฮล
(2) การดูดซึมและกำไรมีความแตกต่างกัน
เนื่องจากลักษณะแบนด์แก๊ปที่กว้างของ InP (InP คือ 1.35eV และ InGaAs คือ 0.75eV) จึงมักใช้ InP เป็นวัสดุของโซนเกน และใช้ InGaAs เป็นวัสดุของโซนดูดกลืน
(3) มีการเสนอโครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ และกำไร (SAGM) ตามลำดับ
ปัจจุบัน อุปกรณ์ APD เชิงพาณิชย์ส่วนใหญ่ใช้วัสดุ InP/InGaAs โดย InGaAs เป็นชั้นดูดซับ และ InP ภายใต้สนามไฟฟ้าแรงสูง (>5x105V/cm) โดยไม่เกิดการแตกตัว สามารถใช้เป็นวัสดุในโซนเกนได้ สำหรับวัสดุนี้ การออกแบบ APD นี้คือกระบวนการหิมะถล่มที่เกิดขึ้นใน InP ชนิด N โดยการชนกันของหลุม เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างของแบนด์แก๊ประหว่าง InP และ InGaAs ที่มีมาก ความแตกต่างของระดับพลังงานประมาณ 0.4eV ในแบนด์วาเลนซ์ ทำให้หลุมที่เกิดขึ้นในชั้นดูดซับ InGaAs ถูกปิดกั้นที่ขอบเฮเทอโรจังก์ชันก่อนที่จะไปถึงชั้นตัวคูณ InP และความเร็วจะลดลงอย่างมาก ส่งผลให้เวลาตอบสนองยาวนานและแบนด์วิดท์ของ APD นี้แคบลง ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้โดยการเพิ่มชั้นทรานซิชัน InGaAsP ระหว่างวัสดุทั้งสอง
(4) โครงสร้างการดูดซับ การไล่ระดับ ประจุ และเกน (SAGCM) ได้รับการเสนอตามลำดับ
เพื่อปรับการกระจายสนามไฟฟ้าของชั้นดูดซับและชั้นเกนให้ดียิ่งขึ้น จึงได้นำชั้นประจุเข้ามาในการออกแบบอุปกรณ์ ซึ่งจะช่วยปรับปรุงความเร็วและการตอบสนองของอุปกรณ์ได้อย่างมาก
(5) โครงสร้าง SAGCM ที่ได้รับการปรับปรุงเรโซเนเตอร์ (RCE)
ในการออกแบบเครื่องตรวจจับแบบดั้งเดิมให้เหมาะสมที่สุดข้างต้น เราต้องยอมรับว่าความหนาของชั้นดูดกลืนแสงเป็นปัจจัยที่ขัดแย้งกันระหว่างความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพเชิงควอนตัม ความหนาบางของชั้นดูดกลืนแสงสามารถลดเวลาการเคลื่อนผ่านของพาหะได้ ทำให้ได้แบนด์วิดท์ที่กว้าง อย่างไรก็ตาม เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพเชิงควอนตัมที่สูงขึ้น ชั้นดูดกลืนแสงจำเป็นต้องมีความหนาที่เพียงพอ วิธีแก้ปัญหานี้อาจใช้โครงสร้างโพรงเรโซแนนซ์ (RCE) กล่าวคือ ตัวสะท้อนแสงแบรกก์แบบกระจาย (DBR) ได้รับการออกแบบที่ด้านล่างและด้านบนของอุปกรณ์ กระจก DBR ประกอบด้วยวัสดุสองชนิดที่มีดัชนีหักเหแสงต่ำและดัชนีหักเหแสงสูงในโครงสร้าง โดยทั้งสองจะขยายสลับกัน และความหนาของแต่ละชั้นจะตรงกับความยาวคลื่นแสงตกกระทบ 1/4 ในสารกึ่งตัวนำ โครงสร้างเรโซเนเตอร์ของเครื่องตรวจจับสามารถตอบสนองความต้องการด้านความเร็วได้ ความหนาของชั้นดูดกลืนแสงสามารถทำให้บางลงได้มาก และประสิทธิภาพเชิงควอนตัมของอิเล็กตรอนจะเพิ่มขึ้นหลังจากการสะท้อนหลายครั้ง
(6) โครงสร้างท่อนำคลื่นแบบมีขอบเชื่อมต่อ (WG-APD)
อีกวิธีหนึ่งในการแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นดูดกลืนที่มีต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม คือการนำโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบ edge-coupled มาใช้ โครงสร้างนี้รับแสงจากด้านข้าง เนื่องจากชั้นดูดกลืนมีความยาวมาก จึงง่ายต่อการได้ประสิทธิภาพควอนตัมสูง ในขณะเดียวกัน ชั้นดูดกลืนก็สามารถทำให้บางลงได้มาก ช่วยลดเวลาการขนส่งของพาหะ ดังนั้น โครงสร้างนี้จึงแก้ปัญหาการพึ่งพาแบนด์วิดท์และประสิทธิภาพที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นดูดกลืน และคาดว่าจะบรรลุ APD ที่มีอัตราความเร็วสูงและมีประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระบวนการของ WG-APD นั้นง่ายกว่า RCE APD ซึ่งช่วยลดขั้นตอนการเตรียมกระจก DBR ที่ซับซ้อน ดังนั้นจึงมีความเป็นไปได้มากกว่าในทางปฏิบัติและเหมาะสำหรับการเชื่อมต่อด้วยแสงแบบระนาบทั่วไป
3. บทสรุป
การพัฒนาของหิมะถล่มเครื่องตรวจจับภาพได้มีการทบทวนวัสดุและอุปกรณ์ต่างๆ อัตราการแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันของอิเล็กตรอนและโฮลของวัสดุ InP ใกล้เคียงกับของ InAlAs ซึ่งนำไปสู่กระบวนการคู่ขนานของซิมเบียนของพาหะทั้งสอง ซึ่งทำให้ระยะเวลาในการสร้างหิมะถล่มนานขึ้นและเสียงรบกวนเพิ่มขึ้น เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุ InAlAs บริสุทธิ์ โครงสร้างควอนตัมเวลล์ InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs มีอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันที่เพิ่มขึ้น ทำให้ประสิทธิภาพของสัญญาณรบกวนเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก ในแง่ของโครงสร้าง โครงสร้าง SAGCM ที่เพิ่มประสิทธิภาพเรโซเนเตอร์ (RCE) และโครงสร้างท่อนำคลื่นแบบมีขอบคู่ (WG-APD) ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อแก้ปัญหาความขัดแย้งของผลกระทบที่แตกต่างกันของความหนาของชั้นดูดกลืนต่อความเร็วของอุปกรณ์และประสิทธิภาพควอนตัม เนื่องจากความซับซ้อนของกระบวนการนี้ จึงจำเป็นต้องมีการศึกษาการประยุกต์ใช้โครงสร้างทั้งสองนี้อย่างเต็มรูปแบบต่อไป
เวลาโพสต์: 14 พ.ย. 2566