העיקרון והמצב הנוכחי של photodetector של מפולת (APD photodetector) חלק שני

העיקרון והמצב הנוכחי שלגלאי צילום מפולת (גלאי צילום APD) חלק שני

2.2 מבנה שבב APD
מבנה שבב סביר הוא הערובה הבסיסית למכשירים בעלי ביצועים גבוהים. התכנון המבני של APD מתחשב בעיקר בקבוע זמן RC, לכידת חורים בהטרוג'נקציה, זמן מעבר נושא דרך אזור דלדול וכן הלאה. התפתחות המבנה שלו מתמצתת להלן:

(1) מבנה בסיסי
מבנה ה-APD הפשוט ביותר מבוסס על פוטודיודת PIN, אזור P ואזור N מסוממים בכבדות, ואזור הדוחה כפול מסוג N או מסוג P מוכנס באזור P הסמוך או באזור N ליצירת אלקטרונים משניים וחור. זוגות, כדי לממש את ההגברה של זרם הפוטו הראשי. עבור חומרים מסדרת InP, מכיוון שמקדם יינון פגיעת החור גדול ממקדם יינון פגיעת האלקטרונים, אזור הרווח של סימום מסוג N ממוקם בדרך כלל באזור P. במצב אידיאלי, רק חורים מוזרקים לאזור הרווח, ולכן מבנה זה נקרא מבנה מוזרק חורים.

(2) נבדלים בין ספיגה ורווח
בשל מאפייני הפער הרחבים של ה-InP (InP הוא 1.35eV ו-InGaAs הוא 0.75eV), בדרך כלל משתמשים ב-InP כחומר אזור ההגברה וב-InGaAs כחומר אזור הספיגה.

(3) מבני הקליטה, השיפוע והרווח (SAGM) מוצעים בהתאמה
נכון לעכשיו, רוב מכשירי ה-APD המסחריים משתמשים בחומר InP/InGaAs, InGaAs כשכבת הספיגה, InP תחת שדה חשמלי גבוה (>5x105V/cm) ללא התמוטטות, יכול לשמש כחומר אזור רווח. עבור חומר זה, התכנון של APD זה הוא שתהליך המפולת נוצר ב-InP מסוג N על ידי התנגשות של חורים. בהתחשב בהבדל הגדול בפער הרצועה בין InP ל-InGaAs, הפרש רמת האנרגיה של כ-0.4eV בפס הערכיות גורם לחורים שנוצרו בשכבת הספיגה של InGaAs לחסום בקצה ההטרוג'נקציה לפני שהם מגיעים לשכבת מכפיל InP והמהירות היא מאוד מופחת, וכתוצאה מכך זמן תגובה ארוך ורוחב פס צר של APD זה. ניתן לפתור בעיה זו על ידי הוספת שכבת מעבר InGaAsP בין שני החומרים.

(4) מבני הקליטה, השיפוע, המטען והרווח (SAGCM) מוצעים בהתאמה
על מנת להתאים עוד יותר את חלוקת השדה החשמלי של שכבת הספיגה ושכבת הרווח, שכבת המטען מוכנסת לעיצוב המכשיר, מה שמשפר מאוד את מהירות המכשיר והתגובה.

(5) מבנה SAGCM משופר מהוד (RCE).
בתכנון האופטימלי לעיל של גלאים מסורתיים, עלינו להתמודד עם העובדה שעובי שכבת הספיגה הוא גורם סותר למהירות המכשיר וליעילות הקוונטית. העובי הדק של השכבה הסופגת יכול להפחית את זמן המעבר של הספק, כך שניתן להשיג רוחב פס גדול. עם זאת, יחד עם זאת, על מנת להשיג יעילות קוונטית גבוהה יותר, שכבת הספיגה צריכה להיות בעלת עובי מספיק. הפתרון לבעיה זו יכול להיות מבנה חלל התהודה (RCE), כלומר, ה-Bragg Reflector המבוזר (DBR) מתוכנן בחלק התחתון והחלק העליון של המכשיר. מראת ה-DBR מורכבת משני סוגים של חומרים בעלי מקדם שבירה נמוך ומקדם שבירה גבוה במבנה, והשניים גדלים לסירוגין, ועובי כל שכבה פוגש את אורך הגל האור הנכנס 1/4 במוליך למחצה. מבנה התהודה של הגלאי יכול לעמוד בדרישות המהירות, עובי שכבת הספיגה יכול להיעשות דק מאוד, והיעילות הקוונטית של האלקטרון גדלה לאחר מספר השתקפויות.

(6) מבנה מוליך גל צמוד קצה (WG-APD)
פתרון נוסף לפתרון הסתירה של השפעות שונות של עובי שכבת הספיגה על מהירות המכשיר ויעילות קוונטית הוא הצגת מבנה מוליך גלים עם קצה. מבנה זה חודר לאור מהצד, מכיוון ששכבת הספיגה ארוכה מאוד, קל להשיג יעילות קוונטית גבוהה, ובמקביל ניתן להפוך את שכבת הספיגה דקה מאוד, מה שמפחית את זמן המעבר של הנשא. לכן, מבנה זה פותר את התלות השונה של רוחב פס ויעילות בעובי שכבת הספיגה, וצפוי להשיג APD בקצב גבוה ויעילות קוונטית גבוהה. התהליך של WG-APD פשוט יותר מזה של RCE APD, מה שמבטל את תהליך ההכנה המסובך של מראת DBR. לכן, זה ריאלי יותר בתחום המעשי ומתאים לחיבור אופטי מישור משותף.

3. מסקנה
התפתחות של מפולתגלאי צילוםחומרים ומכשירים נבדקים. שיעורי יינון התנגשות האלקטרונים והחורים של חומרי InP קרובים לאלו של InAlAs, מה שמוביל לתהליך הכפול של שני סימביוני הנשאים, מה שמאריך את זמן בניית המפולת ואת הרעש מוגבר. בהשוואה לחומרי InAlAs טהורים, למבני באר קוונטיים של InGaAs (P) /InAlAs ו-In (Al) GaAs/InAlAs יש יחס מוגבר של מקדמי יינון התנגשות, כך שניתן לשנות מאוד את ביצועי הרעש. מבחינת מבנה, מבנה SAGCM משופר מהוד (RCE) ומבנה מוליך גל משולב קצה (WG-APD) פותחו על מנת לפתור את הסתירות של ההשפעות השונות של עובי שכבת הספיגה על מהירות המכשיר והיעילות הקוונטית. בשל מורכבות התהליך, יש לחקור עוד יותר את היישום המעשי המלא של שני המבנים הללו.