원칙과 현황눈사태 광검출기 (APD 광검출기) 2부
2.2 APD 칩 구조
합리적인 칩 구조는 고성능 소자의 기본 보장 요소입니다. APD의 구조 설계는 주로 RC 시정수, 이종 접합에서의 정공 포획, 공핍 영역을 통과하는 전하 운반체 이동 시간 등을 고려합니다. 그 구조 개발 과정은 다음과 같습니다.
(1) 기본 구조
가장 간단한 APD 구조는 PIN 포토다이오드를 기반으로 하며, P 영역과 N 영역은 고농도로 도핑되고, 인접한 P 영역 또는 N 영역에 N형 또는 P형 이중 반발 영역이 도입되어 2차 전자-정공 쌍을 생성함으로써 1차 광전류를 증폭합니다. InP 계열 재료의 경우, 정공의 충돌 이온화 계수가 전자의 충돌 이온화 계수보다 크기 때문에 N형 도핑된 이득 영역은 일반적으로 P 영역에 위치합니다. 이상적인 상황에서는 정공만 이득 영역으로 주입되므로 이러한 구조를 정공 주입 구조라고 합니다.
(2) 흡수와 이득은 구별된다
InP는 넓은 밴드갭 특성(InP의 밴드갭은 1.35eV이고 InGaAs는 0.75eV임) 때문에 일반적으로 이득 영역 재료로, InGaAs는 흡수 영역 재료로 사용됩니다.
(3) 흡수, 기울기 및 이득(SAGM) 구조가 각각 제안된다.
현재 대부분의 상용 APD 소자는 InP/InGaAs 소재를 사용하는데, InGaAs는 흡수층으로, InP는 높은 전기장(>5x10⁵V/cm)에서도 항복 없이 작동할 수 있어 이득 영역 물질로 사용될 수 있습니다. 이 소재를 사용하는 APD의 설계는 정공의 충돌에 의해 N형 InP에서 애벌랜치 현상이 발생하도록 하는 것입니다. InP와 InGaAs의 밴드갭 차이가 크기 때문에, 가전자대에서 약 0.4eV의 에너지 레벨 차이로 인해 InGaAs 흡수층에서 생성된 정공이 InP 증폭층에 도달하기 전에 이종접합 경계면에서 차단되어 속도가 크게 저하됩니다. 이는 APD의 응답 시간 증가와 대역폭 협소화를 초래합니다. 이러한 문제는 두 물질 사이에 InGaAsP 전이층을 추가함으로써 해결할 수 있습니다.
(4) 흡수, 기울기, 전하 및 이득(SAGCM) 구조가 각각 제안된다.
흡수층과 이득층의 전기장 분포를 더욱 정밀하게 조절하기 위해 전하층을 소자 설계에 도입함으로써 소자의 속도와 응답성을 크게 향상시켰다.
(5) 공진기 강화(RCE) SAGCM 구조
위에서 언급한 기존 검출기의 최적 설계에서 흡수층의 두께는 소자의 속도와 양자 효율에 있어 상충되는 요소라는 점에 직면하게 됩니다. 흡수층의 두께가 얇으면 전하 운반체의 이동 시간을 줄여 넓은 대역폭을 얻을 수 있습니다. 그러나 동시에 높은 양자 효율을 얻기 위해서는 흡수층이 충분한 두께를 가져야 합니다. 이 문제에 대한 해결책은 공진 공동(RCE) 구조, 즉 소자의 상하부에 분산 브래그 반사기(DBR)를 설계하는 것입니다. DBR 반사기는 구조 내에 굴절률이 낮은 물질과 높은 물질 두 종류를 교대로 성장시켜 구성하며, 각 층의 두께는 입사광 파장의 1/4이 되도록 반도체 내에서 조절합니다. 이러한 공진 공동 구조는 검출기의 속도 요구 사항을 충족할 수 있으며, 흡수층의 두께를 매우 얇게 만들 수 있고, 여러 번의 반사를 거친 후 전자의 양자 효율을 향상시킬 수 있습니다.
(6) 에지 결합 도파관 구조(WG-APD)
흡수층 두께가 소자 속도와 양자 효율에 미치는 영향이 서로 다르다는 모순을 해결하는 또 다른 방법은 에지 결합 도파관 구조를 도입하는 것입니다. 이 구조는 측면에서 빛이 입사하기 때문에 흡수층의 길이가 매우 길어 높은 양자 효율을 쉽게 얻을 수 있으며, 동시에 흡수층을 매우 얇게 만들 수 있어 전하 이동 시간을 단축할 수 있습니다. 따라서 이 구조는 대역폭과 효율이 흡수층 두께에 따라 다르게 나타나는 문제를 해결하고, 고속 및 고효율의 APD를 구현할 수 있을 것으로 기대됩니다. WG-APD의 공정은 RCE APD보다 간단하며, 복잡한 DBR 미러 제작 공정이 필요하지 않습니다. 따라서 실제 적용 가능성이 높고 일반적인 평면 광 연결에 적합합니다.
3. 결론
눈사태의 발생광검출기재료 및 소자에 대한 검토가 이루어졌습니다. InP 재료의 전자와 정공의 충돌 이온화율은 InAlAs의 그것과 유사하여 두 캐리어 공생체의 이중 과정을 유발하고, 이로 인해 애벌랜치 형성 시간이 길어지고 잡음이 증가합니다. 순수 InAlAs 재료와 비교하여 InGaAs(P)/InAlAs 및 In(Al)GaAs/InAlAs 양자 우물 구조는 충돌 이온화 계수 비율이 증가하여 잡음 성능이 크게 향상됩니다. 구조적인 측면에서, 흡수층 두께가 소자 속도와 양자 효율에 미치는 다양한 영향의 모순을 해결하기 위해 공진기 강화(RCE) SAGCM 구조와 에지 결합 도파관 구조(WG-APD)가 개발되었습니다. 그러나 공정의 복잡성으로 인해 이 두 구조의 완전한 실용화는 추가적인 연구가 필요합니다.
게시 시간: 2023년 11월 14일