눈사태 광검출기(APD 광검출기)의 원리와 현황 2부

원리와 현재 상황눈사태 광검출기 (APD 광검출기) 두 번째 부분

2.2 APD 칩 구조
합리적인 칩 구조는 고성능 소자의 기본 보장 요소입니다. APD의 구조 설계는 주로 RC 시간 상수, 이종 접합에서의 정공 포획, 공핍 영역을 통한 캐리어 이동 시간 등을 고려합니다. APD 구조 개발 과정은 다음과 같습니다.

(1) 기본 구조
가장 간단한 APD 구조는 PIN 광전 다이오드를 기반으로 합니다. P 영역과 N 영역은 고농도로 도핑되고, 인접한 P 영역 또는 N 영역에 N형 또는 P형 이중 반발 영역을 도입하여 2차 전자와 정공 쌍을 생성함으로써 1차 광전류 증폭을 실현합니다. InP 계열 재료의 경우, 정공 충돌 이온화 계수가 전자 충돌 이온화 계수보다 크기 때문에 N형 도핑 이득 영역은 일반적으로 P 영역에 배치됩니다. 이상적인 상황에서는 정공만 이득 영역에 주입되므로, 이 구조를 정공 주입 구조라고 합니다.

(2) 흡수와 이득은 구별된다
InP의 넓은 밴드갭 특성(InP는 1.35eV, InGaAs는 0.75eV)으로 인해 일반적으로 InP는 이득 영역 재료로 사용되고 InGaAs는 흡수 영역 재료로 사용됩니다.

(3) 흡수, 기울기 및 이득(SAGM) 구조가 각각 제안됩니다.
현재 대부분의 상용 APD 소자는 InP/InGaAs 소재를 사용하며, InGaAs를 흡수층으로 사용합니다. InP는 높은 전계(>5x105V/cm) 하에서 항복 없이 이득 영역 물질로 사용될 수 있습니다. 이 소재의 경우, 이 APD는 정공의 충돌에 의해 N형 InP에서 애벌랜치(avalanche) 현상이 발생하도록 설계되었습니다. InP와 InGaAs 사이의 큰 밴드갭 차이를 고려할 때, 가전자대에서 약 0.4eV의 에너지 준위 차이는 InGaAs 흡수층에서 생성된 정공이 InP 증배층에 도달하기 전에 이종 접합 가장자리에서 방해를 받아 속도가 크게 감소하게 됩니다. 이로 인해 이 APD의 응답 시간이 길어지고 대역폭이 좁아집니다. 이 문제는 두 소재 사이에 InGaAsP 전이층을 추가함으로써 해결할 수 있습니다.

(4) 흡수, 기울기, 전하 및 이득(SAGCM) 구조가 각각 제안된다.
흡수층과 이득층의 전계 분포를 더욱 조정하기 위해 소자 설계에 전하층이 도입되었으며, 이를 통해 소자의 속도와 응답성이 크게 향상되었습니다.

(5) 공진기 강화(RCE) SAGCM 구조
위에서 언급한 기존 검출기의 최적 설계에서, 흡수층의 두께는 소자 속도와 양자 효율에 상반되는 요소라는 점에 유의해야 합니다. 흡수층의 두께가 얇으면 캐리어의 이동 시간을 단축하여 넓은 대역폭을 얻을 수 있습니다. 그러나 동시에 더 높은 양자 효율을 얻으려면 흡수층의 두께가 충분해야 합니다. 이 문제에 대한 해결책은 공진 공동(RCE) 구조, 즉 소자의 상단과 하단에 분산 브래그 반사기(DBR)를 설계하는 것입니다. DBR 거울은 저굴절률과 고굴절률의 두 가지 재료로 구성되어 있으며, 두 재료는 교대로 성장합니다. 각 층의 두께는 반도체에서 입사광의 파장 1/4을 충족합니다. 검출기의 공진기 구조는 속도 요구 사항을 충족할 수 있으며, 흡수층의 두께를 매우 얇게 만들 수 있고, 여러 번 반사된 후 전자의 양자 효율을 높일 수 있습니다.

(6) 에지결합도파로구조(WG-APD)
흡수층 두께가 소자 속도와 양자 효율에 미치는 영향의 차이로 인한 모순을 해결하는 또 다른 해결책은 에지 결합 도파로 구조를 도입하는 것입니다. 이 구조는 측면에서 빛이 입사되기 때문에 흡수층이 매우 길어 높은 양자 효율을 얻기 쉽고, 동시에 흡수층을 매우 얇게 만들어 캐리어 이동 시간을 단축할 수 있습니다. 따라서 이 구조는 흡수층 두께에 따른 대역폭과 효율의 차이 의존성을 해결하고, 고속 및 고양자 효율의 APD를 달성할 것으로 예상됩니다. WG-APD는 RCE APD보다 공정이 간단하여 DBR 미러의 복잡한 제조 공정을 생략할 수 있습니다. 따라서 실제 현장에서 적용 가능성이 더 높고 공통 평면 광 연결에 적합합니다.

3. 결론
눈사태의 발달광검출기재료 및 소자를 검토합니다. InP 재료의 전자 및 정공 충돌 이온화율은 InAlAs와 유사하여 두 캐리어 공진의 이중 과정으로 이어지고, 이는 애벌랜치 형성 시간을 늘리고 잡음을 증가시킵니다. 순수 InAlAs 재료와 비교하여 InGaAs(P)/InAlAs 및 In(Al)GaAs/InAlAs 양자우물 구조는 충돌 이온화 계수 비율이 높아 잡음 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 구조 측면에서는 흡수층 두께가 소자 속도 및 양자 효율에 미치는 다양한 효과의 모순을 해결하기 위해 공진기 강화(RCE) SAGCM 구조와 에지 결합 도파관 구조(WG-APD)가 개발되었습니다. 공정의 복잡성으로 인해 이 두 구조의 완전한 실제 적용은 추가 연구가 필요합니다.