اصول و وضعیت فعلی آشکارساز نوری بهمنی (آشکارساز نوری APD) بخش دوم

اصل و وضعیت فعلیآشکارساز نوری بهمن (آشکارساز نوری APD) بخش دوم

۲.۲ ساختار تراشه APD
ساختار منطقی تراشه، تضمین اساسی دستگاه‌های با کارایی بالا است. طراحی ساختاری APD عمدتاً ثابت زمانی RC، جذب حفره در پیوند ناهمگن، زمان عبور حامل از ناحیه تخلیه و غیره را در نظر می‌گیرد. توسعه ساختار آن در زیر خلاصه شده است:

(1) ساختار پایه
ساده‌ترین ساختار APD بر اساس فوتودیود PIN است، ناحیه P و ناحیه N به شدت آلایش یافته‌اند و ناحیه دافعه مضاعف نوع N یا نوع P در ناحیه P یا ناحیه N مجاور معرفی می‌شود تا الکترون‌های ثانویه و جفت‌های حفره تولید کند، به طوری که تقویت جریان نوری اولیه را محقق سازد. برای مواد سری InP، از آنجا که ضریب یونیزاسیون ضربه حفره بیشتر از ضریب یونیزاسیون ضربه الکترون است، ناحیه بهره آلایش نوع N معمولاً در ناحیه P قرار می‌گیرد. در شرایط ایده‌آل، فقط حفره‌ها به ناحیه بهره تزریق می‌شوند، بنابراین این ساختار، ساختار تزریق حفره نامیده می‌شود.

(2) جذب و بهره از هم متمایز هستند
با توجه به ویژگی‌های شکاف نواری پهن InP (InP برابر با 1.35eV و InGaAs برابر با 0.75eV است)، معمولاً از InP به عنوان ماده ناحیه افزایش و از InGaAs به عنوان ماده ناحیه جذب استفاده می‌شود.

(3) ساختارهای جذب، گرادیان و بهره (SAGM) به ترتیب پیشنهاد شده‌اند
در حال حاضر، اکثر دستگاه‌های APD تجاری از ماده InP/InGaAs استفاده می‌کنند، InGaAs به عنوان لایه جذب، InP تحت میدان الکتریکی بالا (>5x105V/cm) بدون شکست، می‌تواند به عنوان ماده ناحیه بهره استفاده شود. برای این ماده، طراحی این APD به این صورت است که فرآیند بهمن در InP نوع N با برخورد حفره‌ها تشکیل می‌شود. با توجه به تفاوت زیاد در شکاف نواری بین InP و InGaAs، اختلاف سطح انرژی حدود 0.4eV در نوار ظرفیت باعث می‌شود حفره‌های ایجاد شده در لایه جذب InGaAs قبل از رسیدن به لایه ضرب‌کننده InP در لبه اتصال ناهمگن مسدود شوند و سرعت به شدت کاهش یابد که منجر به زمان پاسخ طولانی و پهنای باند باریک این APD می‌شود. این مشکل را می‌توان با اضافه کردن یک لایه انتقال InGaAsP بین دو ماده حل کرد.

(4) ساختارهای جذب، گرادیان، بار و بهره (SAGCM) به ترتیب پیشنهاد شده‌اند
به منظور تنظیم بیشتر توزیع میدان الکتریکی لایه جذب و لایه بهره، لایه بار در طراحی دستگاه وارد شده است که سرعت و پاسخگویی دستگاه را تا حد زیادی بهبود می‌بخشد.

(5) ساختار SAGCM تقویت‌شده با رزوناتور (RCE)
در طراحی بهینه آشکارسازهای سنتی که در بالا ذکر شد، باید با این واقعیت روبرو شویم که ضخامت لایه جذب، عاملی متناقض برای سرعت دستگاه و بازده کوانتومی است. ضخامت نازک لایه جذب می‌تواند زمان عبور حامل را کاهش دهد، بنابراین می‌توان پهنای باند بزرگی به دست آورد. با این حال، در عین حال، برای دستیابی به بازده کوانتومی بالاتر، لایه جذب باید ضخامت کافی داشته باشد. راه حل این مشکل می‌تواند ساختار حفره رزونانس (RCE) باشد، یعنی بازتابنده براگ توزیع شده (DBR) در پایین و بالای دستگاه طراحی شده است. آینه DBR از دو نوع ماده با ضریب شکست پایین و ضریب شکست بالا در ساختار تشکیل شده است و این دو به طور متناوب رشد می‌کنند و ضخامت هر لایه با طول موج نور فرودی 1/4 در نیمه هادی مطابقت دارد. ساختار رزوناتور آشکارساز می‌تواند الزامات سرعت را برآورده کند، ضخامت لایه جذب را می‌توان بسیار نازک کرد و بازده کوانتومی الکترون پس از چندین بازتاب افزایش می‌یابد.

(6) ساختار موجبر با کوپل لبه‌ای (WG-APD)
راه حل دیگر برای حل تناقض اثرات متفاوت ضخامت لایه جذب بر سرعت و بازده کوانتومی دستگاه، معرفی ساختار موجبر با کوپلاژ لبه‌ای است. این ساختار نور را از کنار وارد می‌کند، زیرا لایه جذب بسیار طولانی است، به راحتی می‌توان بازده کوانتومی بالایی را به دست آورد و در عین حال، می‌توان لایه جذب را بسیار نازک کرد و زمان عبور حامل را کاهش داد. بنابراین، این ساختار وابستگی متفاوت پهنای باند و بازده به ضخامت لایه جذب را حل می‌کند و انتظار می‌رود به APD با نرخ بالا و بازده کوانتومی بالا دست یابد. فرآیند WG-APD ساده‌تر از APD RCE است که فرآیند پیچیده آماده‌سازی آینه DBR را حذف می‌کند. بنابراین، در زمینه عملی امکان‌پذیرتر است و برای اتصال نوری صفحه مشترک مناسب است.

۳. نتیجه‌گیری
توسعه بهمنآشکارساز نوریمواد و دستگاه‌ها بررسی شده است. نرخ یونیزاسیون برخورد الکترون و حفره در مواد InP نزدیک به InAlAs است که منجر به فرآیند دوگانه دو همزیست حامل می‌شود که باعث طولانی‌تر شدن زمان تشکیل بهمن و افزایش نویز می‌شود. در مقایسه با مواد InAlAs خالص، ساختارهای چاه کوانتومی InGaAs (P)/InAlAs و In(Al)GaAs/InAlAs نسبت ضرایب یونیزاسیون برخورد بیشتری دارند، بنابراین عملکرد نویز می‌تواند تا حد زیادی تغییر کند. از نظر ساختار، ساختار SAGCM تقویت‌شده با رزوناتور (RCE) و ساختار موجبر جفت‌شده با لبه (WG-APD) به منظور حل تناقضات اثرات مختلف ضخامت لایه جذب بر سرعت دستگاه و بازده کوانتومی توسعه داده شده‌اند. با توجه به پیچیدگی فرآیند، کاربرد عملی کامل این دو ساختار نیاز به بررسی بیشتر دارد.