の原理と現状アバランシェ光検出器 (APD光検出器）パート2
2.2 APDチップ構造
合理的なチップ構造は、高性能デバイスの基本保証です。APDの構造設計では、主にRC時定数、ヘテロ接合における正孔捕獲、空乏層におけるキャリア走行時間などを考慮しています。APDの構造開発の経緯は、以下の通りです。
（１）基本構造
最も単純なAPD構造はPINフォトダイオードをベースとし、P領域とN領域に高濃度ドーピングを施し、隣接するP領域またはN領域にN型またはP型の二重反発領域を導入することで二次電子と正孔対を発生させ、一次光電流の増幅を実現します。InP系材料の場合、正孔衝突イオン化係数が電子衝突イオン化係数よりも大きいため、N型ドーピングのゲイン領域は通常P領域に配置されます。理想的な状況では、ゲイン領域には正孔のみが注入されるため、この構造は正孔注入構造と呼ばれます。
（２）吸収と利得は区別される
InP の広いバンドギャップ特性 (InP は 1.35eV、InGaAs は 0.75eV) により、通常、InP はゲインゾーン材料として使用され、InGaAs は吸収ゾーン材料として使用されます。
（３）吸収、勾配、利得（SAGM）構造がそれぞれ提案されている。
現在、市販されているAPDデバイスのほとんどはInP/InGaAs材料を使用しています。InGaAsは吸収層として、InPは高電界（> 5x105V/cm）下でも破壊することなくゲインゾーン材料として使用できます。この材料について、このAPDの設計では、正孔の衝突によってN型InPでアバランシェプロセスが形成されます。InPとInGaAsのバンドギャップの大きな差を考慮すると、価電子帯の約0.4eVのエネルギーレベルの差により、InGaAs吸収層で生成された正孔はInP増倍層に到達する前にヘテロ接合エッジで阻害され、速度が大幅に低下します。その結果、このAPDの応答時間が長くなり、帯域幅が狭くなります。この問題は、2つの材料の間にInGaAsP遷移層を追加することで解決できます。
（４）吸収、勾配、電荷、ゲイン（SAGCM）構造がそれぞれ提案されている。
吸収層とゲイン層の電界分布をさらに調整するために、デバイス設計に充電層が導入され、デバイスの速度と応答性が大幅に向上しました。
(5) 共振器強化型（RCE）SAGCM構造
従来の検出器の上記の最適設計では、吸収層の厚さがデバイスの速度と量子効率にとって矛盾する要因であるという事実に直面しなければなりません。吸収層の厚さが薄いほどキャリアの走行時間を短縮できるため、広い帯域幅が得られます。しかし同時に、より高い量子効率を得るためには、吸収層は十分な厚さを持つ必要があります。この問題の解決策は、共振空洞（RCE）構造、つまりデバイスの下部と上部に分布ブラッグ反射器（DBR）を設計することです。DBRミラーは、構造的に低屈折率と高屈折率の2種類の材料で構成され、2つは交互に成長し、各層の厚さは半導体における入射光波長の1/4を満たします。検出器の共振器構造は速度要件を満たすことができ、吸収層の厚さを非常に薄くすることができ、複数回の反射後に電子の量子効率が向上します。
(6) エッジ結合導波路構造（WG-APD）
吸収層の厚さがデバイス速度と量子効率に及ぼす異なる影響という矛盾を解決するもう一つの解決策は、エッジ結合導波路構造を導入することです。この構造は側面から光を入力し、吸収層が非常に長いため、高い量子効率を得やすく、同時に吸収層を非常に薄くできるため、キャリアの走行時間を短縮できます。したがって、この構造は、吸収層の厚さに対する帯域幅と効率の異なる依存性を解決し、高速度で高い量子効率のAPDを実現することが期待されます。WG-APDのプロセスはRCE APDよりも単純で、DBRミラーの複雑な製造プロセスが不要です。したがって、実用分野での実現可能性が高く、共通平面光接続に適しています。
3. 結論
雪崩の発達光検出器材料とデバイスの研究開発についてレビューしました。InP材料の電子と正孔の衝突イオン化率はInAlAsのものと近いため、2つのキャリア共生の二重過程が生じ、アバランシェ形成時間が長くなり、ノイズが増加します。純粋なInAlAs材料と比較して、InGaAs (P) /InAlAsおよびIn (Al) GaAs/InAlAs量子井戸構造は衝突イオン化係数の比率が高く、ノイズ特性が大きく変化します。構造面では、共振器強化型（RCE）SAGCM構造とエッジ結合型導波路構造（WG-APD）が開発され、吸収層の厚さがデバイス速度と量子効率に及ぼす異なる影響の矛盾を解決しています。プロセスの複雑さのため、これら2つの構造の完全な実用化にはさらなる検討が必要です。
投稿日時: 2023年11月14日