APD探测器国内外研究现状(2)
时间:2017-05-22 22:00 来源:毕业论文 作者:毕业论文 点击:次
合理的芯片结构是高性能器件的基本保证。APD结构设计主要考虑RC时间常数,在异质结界面的空穴俘获,载流子通过耗尽区的渡越时间等因素。下面对其结构的发展作一综述： 1）基本结构 最简单的APD结构是在PIN光电二极管的基础上，对P区和N区都进行了重掺杂，在邻近P区或N区引进n型或p型倍憎区，以产生二次电子和空穴对，从而实现对一次光电流的放大作用。对于InP 系列材料来说，由于空穴碰撞电离系数大于电子碰撞电离系数，通常将N型掺杂的增益区置于P区的位置。在理想情况下，只有空穴注入到增益区，所以称这种结构为空穴注入型结构。 2）吸收和增益区分开 由于InP宽带隙特性（InP为1.35eV, InGaAs为0.75eV），通常以InP为增益区材料，InGaAs为吸收区材料。 3） 吸收/渐变/增益（SAGM）结构的提出 目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料，InGaAs作为吸收层，InP在较高电场下(>5x105V/cm)下而不被击穿，可以作为增益区材料。对于该材料， APD的设计是雪崩过程由空穴碰撞而在n型InP中形成。考虑到InP和InGaAs的带隙差别较大,价带上大约0.4eV的能级差使得在InGaAs吸收层中产生的空穴，在达到InP倍增层之前在异质结边缘受到阻碍而速度大大减少，从而这种 APD的响应时间长，带宽很窄。这个问题可以在两种材料之间加InGaAsP过渡层而得到解决。 4）吸收/渐变/电荷和增益（SAGCM）结构的提出 为了进一步调节吸收层和增益层的电场分布，在器件设计中引入了电荷层，这种改进大大的提高了器件速率和响应度。 5）谐振腔增强型 (RCE) SAGCM结构 在以上传统探测器的优化设计中，必须面临这样一个事实：即吸收层的厚度对器件速率和量子效率是一个矛盾的因素。薄的吸收层厚度可以减少载流子渡越时间，因此可以获得大的带宽；然而，同时为了得到更高的量子效率，需要吸收层具有足够的厚度。解决这个问题可以采用谐振腔（RCE）结构，即在器件的底部和顶部设计DBR (distributed Bragg Reflector)。这种DBR反射镜在结构上包括低折射率和高折射率的两种材料，二者交替生长，各层厚度满足在半导体中入射光波长的1/4。这种谐振腔结构的探测器在满足速率要求的前提下，吸收层厚度可以做得很薄，而且电子在经过多次反射后，量子效率增加。 由于GaAs/AlAs谐振腔工艺的成熟，目前这种结构的器件以GaAs/AlGaAs材料为最多，增益-带宽积300GHz以上。InP/InGaAs谐振腔由于InP和InGaAs两种材料折射率差较小，使得工艺变得复杂，因此以InP为基材料的谐振腔增强型探测器实用化的很少。当然可以利用键合技术，应用GaAs/AlAs的成熟工艺，制备以InP为基材料的谐振腔增强型探测器。近年来又出现了以InAlGaAs/InAlAs或者InGaAs(P)/InAlAs材料的DBR,其波长位于我们感兴趣的波长范围，受到研究和开发人员的广泛关注。 这种结构的器件可以获得小于10 nA的低暗电流，在单位增益的条件下，可以获得70%的峰值量子效率。噪声测量表明该器件具有非常低的噪声特性（k～0.18）,这个值比以InP为基材料的APD高很多，显示了InAlAs系列材料在低噪声器件方面的巨大潜力[6]。 6）边耦合的波导结构 (WG-APD) 另一种解决吸收层厚度对器件速率和量子效率不同影响的矛盾的方案是引入边耦合波导结构。这种结构从侧面进光，因为吸收层很长，容易获得高量子效率，同时，吸收层可以做得很薄，降低载流子得渡越时间。因此，这种结构解决了带宽和效率对吸收层厚度的不同依赖关系，有望实现高速率，高量子效率的APD。WG-APD在工艺上较RCE APD简单，省去了DBR反射镜的复杂制备工艺。因此，在实用化领域更具有可行性，适用于共平面光连接。 (责任编辑：qin) |