애벌런치 광검출기(APD 광검출기)의 원리와 현황 Part Two

의 원리와 현황눈사태 광검출기 (APD 광검출기) 2부

2.2 APD 칩 구조
합리적인 칩 구조는 고성능 장치의 기본 보장입니다. APD의 구조 설계는 주로 RC 시상수, 이종접합에서의 정공 포착, 공핍 영역을 통한 캐리어 통과 시간 등을 고려합니다. 그 구조의 발전은 다음과 같이 요약된다:

(1) 기본구조
가장 간단한 APD 구조는 PIN 포토다이오드를 기반으로 하며, P 영역과 N 영역에 고농도로 도핑되고, 인접한 P 영역이나 N 영역에 N형 또는 P형 이중 반발 영역을 도입하여 2차 전자와 정공을 생성합니다. 쌍을 이루어 1차 광전류의 증폭을 실현합니다. InP 계열 재료의 경우 정공 충격 이온화 계수가 전자 충격 이온화 계수보다 크기 때문에 N형 도핑의 이득 영역은 일반적으로 P 영역에 배치됩니다. 이상적인 상황에서는 게인 영역에 정공만 주입되므로 이러한 구조를 정공 주입 구조라고 합니다.

(2) 흡수와 이득은 구별된다
InP(InP는 1.35eV, InGaAs는 0.75eV)의 넓은 밴드 갭 특성으로 인해 InP는 일반적으로 이득 영역 물질로, InGaAs는 흡수 영역 물질로 사용됩니다.

(3) 흡수, 구배 및 이득(SAGM) 구조가 각각 제안됩니다.
현재 대부분의 상업용 APD 장치는 InP/InGaAs 재료를 사용하고, InGaAs는 흡수층으로 사용되며, 높은 전기장(>5x105V/cm) 하에서 항복 없는 InP는 이득 영역 재료로 사용될 수 있습니다. 이 재료의 경우 이 APD의 설계는 홀의 충돌에 의해 N형 InP에서 애벌런치 프로세스가 형성된다는 것입니다. InP와 InGaAs 사이의 밴드갭 차이가 크다는 점을 고려하면 가전자대에서 약 0.4eV의 에너지 준위 차이로 인해 InGaAs 흡수층에서 생성된 정공이 InP 증배층에 도달하기 전 이종접합 가장자리에서 막히게 되어 속도가 크게 빨라진다. 이로 인해 이 APD의 응답 시간이 길고 대역폭이 좁아집니다. 이 문제는 두 재료 사이에 InGaAsP 전이층을 추가하여 해결할 수 있습니다.

(4) 흡수, 구배, 전하 및 이득(SAGCM) 구조가 각각 제안됩니다.
흡수층과 이득층의 전계 분포를 더욱 조정하기 위해 전하층을 장치 설계에 도입하여 장치 속도와 응답성을 크게 향상시켰습니다.

(5) 공진기 강화(RCE) SAGCM 구조
위의 전통적인 검출기의 최적 설계에서 우리는 흡수층의 두께가 장치 속도와 양자 효율에 대해 모순되는 요소라는 사실에 직면해야 합니다. 흡수층의 두께가 얇으면 캐리어 이동 시간이 줄어들어 넓은 대역폭을 얻을 수 있습니다. 그러나 동시에 더 높은 양자 효율을 얻기 위해서는 흡수층의 두께가 충분해야 한다. 이 문제에 대한 해결책은 공진 공동(RCE) 구조, 즉 분산 브래그 반사기(DBR)가 장치의 하단과 상단에 설계될 수 있습니다. DBR 미러는 구조상 저굴절률과 고굴절률을 갖는 두 종류의 물질로 구성되어 있으며, 두 물질이 교대로 성장하며, 각 층의 두께는 반도체에서 입사광 파장의 1/4을 충족시킨다. 검출기의 공진기 구조는 속도 요구 사항을 충족할 수 있고, 흡수층의 두께를 매우 얇게 만들 수 있으며, 여러 번의 반사 후에 전자의 양자 효율이 증가합니다.

(6) 에지 결합 도파관 구조(WG-APD)
흡수층 두께가 장치 속도와 양자 효율에 미치는 다양한 영향의 모순을 해결하기 위한 또 다른 솔루션은 에지 결합 도파관 구조를 도입하는 것입니다. 이러한 구조는 측면에서 빛이 들어오기 때문에 흡수층이 매우 길기 때문에 높은 양자 효율을 얻기 쉽고, 동시에 흡수층을 매우 얇게 만들 수 있어 캐리어 이동 시간을 줄일 수 있다. 따라서 이 구조는 흡수층의 두께에 따른 대역폭과 효율의 차이를 해결하고 높은 속도와 높은 양자 효율 APD를 달성할 것으로 기대됩니다. WG-APD의 프로세스는 RCE APD의 프로세스보다 간단하므로 DBR 미러의 복잡한 준비 프로세스가 필요하지 않습니다. 따라서 실제 현장에서 더 실현 가능하며 공통 평면 광 연결에 적합합니다.

3. 결론
눈사태의 발달광검출기재료와 장치를 검토합니다. InP 재료의 전자 및 정공 충돌 이온화 속도는 InAlAs의 속도와 유사하여 두 캐리어 심비온의 이중 프로세스로 이어져 눈사태 생성 시간이 길어지고 소음이 증가합니다. 순수 InAlAs 물질과 비교하여 InGaAs(P)/InAlAs 및 In(Al)GaAs/InAlAs 양자우물 구조는 충돌 이온화 계수의 비율이 증가하므로 잡음 성능이 크게 변경될 수 있습니다. 구조 측면에서, 흡수층 두께가 장치 속도와 양자 효율에 미치는 다양한 영향의 모순을 해결하기 위해 RCE(공진기 강화) SAGCM 구조와 WG-APD(에지 결합 도파관 구조)가 개발되었습니다. 프로세스의 복잡성으로 인해 이 두 구조의 실제 적용에 대한 추가 조사가 필요합니다.