अ‍ॅव्हलेंच फोटोडिटेक्टरचे (APD फोटोडिटेक्टर) तत्व आणि सद्यस्थिती, भाग दोन

तत्व आणि सद्यस्थितीहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (APD फोटोडिटेक्टरभाग दोन

२.२ APD चिप संरचना
योग्य चिप संरचना ही उच्च कार्यक्षमतेच्या उपकरणांची मूलभूत हमी आहे. APD च्या संरचनात्मक डिझाइनमध्ये प्रामुख्याने RC टाइम कॉन्स्टंट, हेटरोजंक्शनवरील होल कॅप्चर, डिप्लेशन रीजनमधून जाणाऱ्या कॅरियरचा ट्रान्झिट टाइम इत्यादींचा विचार केला जातो. त्याच्या संरचनेच्या विकासाचा सारांश खाली दिला आहे:

(1) मूलभूत रचना
सर्वात सोपी APD रचना PIN फोटोडायोडवर आधारित आहे, ज्यामध्ये P क्षेत्र आणि N क्षेत्र हे मोठ्या प्रमाणात डोप केलेले असतात, आणि दुय्यम इलेक्ट्रॉन व होल जोड्या निर्माण करण्यासाठी लगतच्या P किंवा N क्षेत्रात N-प्रकार किंवा P-प्रकारचे दुहेरी-प्रतिकारक क्षेत्र समाविष्ट केले जाते, जेणेकरून प्राथमिक फोटोकरंटचे प्रवर्धन साधता येईल. InP सिरीजच्या मटेरियलसाठी, होल इम्पॅक्ट आयनायझेशन कोएफिशिएंट हा इलेक्ट्रॉन इम्पॅक्ट आयनायझेशन कोएफिशिएंटपेक्षा जास्त असल्यामुळे, N-प्रकारच्या डोपिंगचे गेन क्षेत्र सहसा P क्षेत्रात ठेवले जाते. आदर्श परिस्थितीत, गेन क्षेत्रात फक्त होल्सच इंजेक्ट केले जातात, म्हणून या रचनेला होल-इंजेक्टेड रचना म्हटले जाते.

(2) शोषण आणि लाभ यांच्यात फरक केला जातो
InP च्या विस्तृत बँड गॅप वैशिष्ट्यांमुळे (InP 1.35eV आणि InGaAs 0.75eV आहे), InP सामान्यतः गेन झोन मटेरियल म्हणून आणि InGaAs ॲबसॉर्प्शन झोन मटेरियल म्हणून वापरले जाते.

(3) शोषण, प्रवणता आणि लाभ (SAGM) संरचना अनुक्रमे प्रस्तावित केल्या आहेत
सध्या, बहुतेक व्यावसायिक APD उपकरणांमध्ये InP/InGaAs मटेरियल वापरले जाते, ज्यात InGaAs चा वापर ॲबसॉर्प्शन लेयर म्हणून केला जातो आणि InP उच्च विद्युत क्षेत्रात (>5x105 V/cm) ब्रेकडाउन न होता गेन झोन मटेरियल म्हणून वापरले जाऊ शकते. या मटेरियलसाठी, या APD ची रचना अशी आहे की होल्सच्या टक्करीमुळे N-टाइप InP मध्ये ॲव्हॅलेंच प्रक्रिया तयार होते. InP आणि InGaAs मधील बँड गॅपमधील मोठ्या फरकामुळे, व्हॅलेन्स बँडमधील सुमारे 0.4 eV च्या ऊर्जा पातळीतील फरकामुळे, InGaAs ॲबसॉर्प्शन लेयरमध्ये निर्माण झालेले होल्स InP मल्टिप्लायर लेयरपर्यंत पोहोचण्यापूर्वीच हेटरोजंक्शनच्या कडेला अडकतात आणि त्यांचा वेग खूप कमी होतो, ज्यामुळे या APD चा रिस्पॉन्स टाइम जास्त असतो आणि बँडविड्थ कमी होते. ही समस्या दोन्ही मटेरियल्सच्या मध्ये InGaAsP ट्रान्झिशन लेयर टाकून सोडवली जाऊ शकते.

(4) शोषण, प्रवणता, चार्ज आणि गेन (SAGCM) संरचना अनुक्रमे प्रस्तावित केल्या आहेत
शोषक थर आणि लाभ थराच्या विद्युत क्षेत्राचे वितरण अधिक चांगल्या प्रकारे समायोजित करण्यासाठी, उपकरणाच्या रचनेत चार्ज थर समाविष्ट केला जातो, ज्यामुळे उपकरणाचा वेग आणि प्रतिसादक्षमता मोठ्या प्रमाणात सुधारते.

(5) रेझोनेटर वर्धित (RCE) SAGCM संरचना
पारंपरिक डिटेक्टरच्या वरील इष्टतम डिझाइनमध्ये, आपल्याला या वस्तुस्थितीचा सामना करावा लागतो की शोषण थराची जाडी ही उपकरणाचा वेग आणि क्वांटम कार्यक्षमता यांसाठी एक विरोधाभासी घटक आहे. शोषण थराची पातळ जाडी वाहकांचा संक्रमण काळ कमी करू शकते, त्यामुळे मोठी बँडविड्थ मिळवता येते. तथापि, त्याच वेळी, उच्च क्वांटम कार्यक्षमता मिळवण्यासाठी, शोषण थराला पुरेशी जाडी असणे आवश्यक आहे. या समस्येवर रेझोनंट कॅव्हिटी (RCE) रचना हा उपाय असू शकतो, म्हणजेच, उपकरणाच्या तळाशी आणि वरच्या बाजूस डिस्ट्रिब्युटेड ब्रॅग रिफ्लेक्टर (DBR) डिझाइन केले जाते. DBR मिररमध्ये कमी अपवर्तनांक आणि उच्च अपवर्तनांक असलेल्या दोन प्रकारच्या सामग्रीची रचना असते, आणि या दोन्हींची वाढ एकाआड एक होते, आणि प्रत्येक थराची जाडी सेमीकंडक्टरमधील आपाती प्रकाशाच्या तरंगलांबीच्या १/४ इतकी असते. डिटेक्टरची रेझोनेटर रचना वेगाच्या आवश्यकता पूर्ण करू शकते, शोषण थराची जाडी खूप पातळ ठेवता येते, आणि अनेक परावर्तनांनंतर इलेक्ट्रॉनची क्वांटम कार्यक्षमता वाढते.

(6) एज-कपल्ड वेव्हगाईड स्ट्रक्चर (WG-APD)
डिव्हाइसचा वेग आणि क्वांटम कार्यक्षमता यांवर शोषक थराच्या जाडीच्या वेगवेगळ्या परिणामांमधील विरोधाभास सोडवण्यासाठी आणखी एक उपाय म्हणजे एज-कपल्ड वेव्हगाइड संरचना सादर करणे. या संरचनेत प्रकाश बाजूने प्रवेश करतो, कारण शोषक थर खूप लांब असतो, त्यामुळे उच्च क्वांटम कार्यक्षमता मिळवणे सोपे होते, आणि त्याच वेळी, शोषक थर खूप पातळ बनवता येतो, ज्यामुळे वाहकांचा संक्रमण काळ कमी होतो. त्यामुळे, ही संरचना बँडविड्थ आणि कार्यक्षमतेचे शोषक थराच्या जाडीवरील वेगवेगळे अवलंबित्व सोडवते, आणि उच्च दर व उच्च क्वांटम कार्यक्षमता असलेले APD साध्य करण्याची अपेक्षा आहे. WG-APD ची प्रक्रिया RCE APD पेक्षा सोपी आहे, ज्यामुळे DBR मिररच्या गुंतागुंतीच्या तयारीची प्रक्रिया टाळता येते. त्यामुळे, ती व्यावहारिक क्षेत्रात अधिक व्यवहार्य आहे आणि सामान्य समतल ऑप्टिकल जोडणीसाठी योग्य आहे.

३. निष्कर्ष
हिमस्खलनाचा विकासफोटोडिटेक्टरसामग्री आणि उपकरणांचा आढावा घेतला आहे. InP सामग्रीचे इलेक्ट्रॉन आणि होल टक्कर आयनीकरण दर InAlAs च्या दरांच्या जवळ आहेत, ज्यामुळे दोन वाहक सहजीवनांची दुहेरी प्रक्रिया होते, ज्यामुळे अव्हॅलेंच तयार होण्याचा वेळ वाढतो आणि नॉईज वाढतो. शुद्ध InAlAs सामग्रीच्या तुलनेत, InGaAs (P) /InAlAs आणि In (Al) GaAs/InAlAs क्वांटम वेल संरचनांमध्ये टक्कर आयनीकरण गुणांकांचे प्रमाण वाढलेले असते, त्यामुळे नॉईज कामगिरीमध्ये मोठा बदल होऊ शकतो. संरचनेच्या बाबतीत, उपकरणाचा वेग आणि क्वांटम कार्यक्षमतेवर शोषण थराच्या जाडीच्या वेगवेगळ्या परिणामांमधील विरोधाभास सोडवण्यासाठी रेझोनेटर एन्हांस्ड (RCE) SAGCM संरचना आणि एज-कपल्ड वेव्हगाइड संरचना (WG-APD) विकसित केल्या आहेत. प्रक्रियेच्या जटिलतेमुळे, या दोन संरचनांच्या संपूर्ण व्यावहारिक उपयोगाचा अधिक शोध घेणे आवश्यक आहे.