हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (एपीडी फोटोडिटेक्टर) का सिद्धांत और वर्तमान स्थिति भाग दो

सिद्धांत और वर्तमान स्थितिहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर (एपीडी फोटोडिटेक्टर) भाग दो

2.2 एपीडी चिप संरचना
उचित चिप संरचना उच्च प्रदर्शन वाले उपकरणों की मूलभूत गारंटी है। APD की संरचनात्मक डिजाइन में मुख्य रूप से RC समय स्थिरांक, हेटरोजंक्शन पर छिद्रों का अवशोषण, रिक्तीकरण क्षेत्र से वाहक पारगमन समय आदि को ध्यान में रखा जाता है। इसकी संरचना के विकास का सारांश नीचे दिया गया है:

(1) मूल संरचना
सबसे सरल APD संरचना PIN फोटोडायोड पर आधारित है, जिसमें P क्षेत्र और N क्षेत्र भारी मात्रा में डोप किए जाते हैं, और द्वितीयक इलेक्ट्रॉन और होल युग्म उत्पन्न करने के लिए निकटवर्ती P क्षेत्र या N क्षेत्र में N-प्रकार या P-प्रकार के दोहरे प्रतिकर्षक क्षेत्र को शामिल किया जाता है, जिससे प्राथमिक फोटोकरंट का प्रवर्धन होता है। InP श्रृंखला के पदार्थों के लिए, क्योंकि होल प्रभाव आयनीकरण गुणांक इलेक्ट्रॉन प्रभाव आयनीकरण गुणांक से अधिक होता है, इसलिए N-प्रकार डोपिंग का लाभ क्षेत्र आमतौर पर P क्षेत्र में रखा जाता है। आदर्श स्थिति में, लाभ क्षेत्र में केवल होल ही इंजेक्ट किए जाते हैं, इसलिए इस संरचना को होल-इंजेक्टेड संरचना कहा जाता है।

(2) अवशोषण और लाभ में अंतर किया जाता है
InP की व्यापक बैंड गैप विशेषताओं (InP का 1.35 eV और InGaAs का 0.75 eV) के कारण, InP का उपयोग आमतौर पर गेन ज़ोन सामग्री के रूप में और InGaAs का उपयोग एब्जॉर्प्शन ज़ोन सामग्री के रूप में किया जाता है।

(3) अवशोषण, प्रवणता और लाभ (SAGM) संरचनाओं का क्रमशः प्रस्ताव किया गया है
वर्तमान में, अधिकांश व्यावसायिक APD उपकरण InP/InGaAs सामग्री का उपयोग करते हैं, जिसमें InGaAs अवशोषण परत के रूप में और InP उच्च विद्युत क्षेत्र (>5x10⁵V/cm) के तहत बिना ब्रेकडाउन के गेन ज़ोन सामग्री के रूप में उपयोग किया जा सकता है। इस सामग्री के लिए, APD का डिज़ाइन इस प्रकार है कि छिद्रों के टकराव से N-प्रकार के InP में हिमस्खलन प्रक्रिया उत्पन्न होती है। InP और InGaAs के बैंड गैप में बड़े अंतर को देखते हुए, वैलेंस बैंड में लगभग 0.4eV का ऊर्जा स्तर अंतर InGaAs अवशोषण परत में उत्पन्न छिद्रों को InP गुणक परत तक पहुँचने से पहले हेटरोजंक्शन किनारे पर अवरुद्ध कर देता है, जिससे उनकी गति बहुत कम हो जाती है। इसके परिणामस्वरूप, इस APD का प्रतिक्रिया समय लंबा और बैंडविड्थ संकीर्ण हो जाता है। इस समस्या को दोनों सामग्रियों के बीच एक InGaAsP संक्रमण परत जोड़कर हल किया जा सकता है।

(4) अवशोषण, प्रवणता, आवेश और लाभ (SAGCM) संरचनाओं का क्रमशः प्रस्ताव किया गया है।
अवशोषण परत और लाभ परत के विद्युत क्षेत्र वितरण को और अधिक समायोजित करने के लिए, उपकरण डिजाइन में चार्ज परत को शामिल किया जाता है, जो उपकरण की गति और प्रतिक्रियाशीलता में काफी सुधार करता है।

(5) रेज़ोनेटर संवर्धित (आरसीई) एसएजीसीएम संरचना
परंपरागत डिटेक्टरों के उपरोक्त इष्टतम डिज़ाइन में, हमें इस तथ्य का सामना करना पड़ता है कि अवशोषण परत की मोटाई डिवाइस की गति और क्वांटम दक्षता के लिए एक विरोधाभासी कारक है। अवशोषक परत की पतली मोटाई वाहक पारगमन समय को कम कर सकती है, जिससे एक बड़ी बैंडविड्थ प्राप्त की जा सकती है। हालांकि, साथ ही, उच्च क्वांटम दक्षता प्राप्त करने के लिए, अवशोषण परत की मोटाई पर्याप्त होनी चाहिए। इस समस्या का समाधान अनुनादी गुहा (आरसीई) संरचना हो सकती है, अर्थात्, डिवाइस के नीचे और ऊपर वितरित ब्रैग परावर्तक (डीबीआर) डिज़ाइन किया जाता है। डीबीआर दर्पण संरचना में कम अपवर्तनांक और उच्च अपवर्तनांक वाले दो प्रकार के पदार्थों से बना होता है, और ये दोनों बारी-बारी से बढ़ते हैं, और प्रत्येक परत की मोटाई अर्धचालक में आपतित प्रकाश तरंगदैर्ध्य के 1/4 के बराबर होती है। डिटेक्टर की अनुनादी संरचना गति आवश्यकताओं को पूरा कर सकती है, अवशोषण परत की मोटाई बहुत पतली बनाई जा सकती है, और कई परावर्तनों के बाद इलेक्ट्रॉन की क्वांटम दक्षता बढ़ जाती है।

(6) एज-कपल्ड वेवगाइड संरचना (डब्ल्यूजी-एपीडी)
डिवाइस की गति और क्वांटम दक्षता पर अवशोषण परत की मोटाई के विभिन्न प्रभावों के विरोधाभास को हल करने का एक अन्य समाधान एज-कपल्ड वेवगाइड संरचना का उपयोग करना है। इस संरचना में प्रकाश पार्श्व से प्रवेश करता है, और अवशोषण परत की लंबाई अधिक होने के कारण उच्च क्वांटम दक्षता प्राप्त करना आसान होता है। साथ ही, अवशोषण परत को बहुत पतला बनाया जा सकता है, जिससे वाहक पारगमन समय कम हो जाता है। इसलिए, यह संरचना बैंडविड्थ और दक्षता की अवशोषण परत की मोटाई पर निर्भरता की समस्या को हल करती है, और इससे उच्च दर और उच्च क्वांटम दक्षता वाले APD प्राप्त होने की उम्मीद है। WG-APD की प्रक्रिया RCE APD की तुलना में सरल है, जिससे DBR दर्पण की जटिल तैयारी प्रक्रिया समाप्त हो जाती है। इसलिए, यह व्यावहारिक क्षेत्र में अधिक व्यवहार्य है और सामान्य समतल ऑप्टिकल कनेक्शन के लिए उपयुक्त है।

3. निष्कर्ष
हिमस्खलन का विकासफोटोडिटेक्टरसामग्रियों और उपकरणों की समीक्षा की गई है। InP सामग्रियों की इलेक्ट्रॉन और होल टक्कर आयनीकरण दरें InAlAs के लगभग समान हैं, जिससे दो वाहक सहजीवन की दोहरी प्रक्रिया होती है, जिसके परिणामस्वरूप हिमस्खलन निर्माण का समय बढ़ जाता है और शोर बढ़ जाता है। शुद्ध InAlAs सामग्रियों की तुलना में, InGaAs (P) /InAlAs और In (Al) GaAs/InAlAs क्वांटम वेल संरचनाओं में टक्कर आयनीकरण गुणांक का अनुपात अधिक होता है, जिससे शोर प्रदर्शन में काफी बदलाव आ सकता है। संरचना के संदर्भ में, अवशोषण परत की मोटाई के उपकरण की गति और क्वांटम दक्षता पर विभिन्न प्रभावों के विरोधाभासों को हल करने के लिए रेज़ोनेटर एन्हांस्ड (RCE) SAGCM संरचना और एज-कपल्ड वेवगाइड संरचना (WG-APD) विकसित की गई हैं। प्रक्रिया की जटिलता के कारण, इन दोनों संरचनाओं के पूर्ण व्यावहारिक अनुप्रयोग का और अधिक अन्वेषण किया जाना आवश्यक है।