原理と現状雪崩光検出器 (APD光検出器パート2
2.2 APDチップの構造
適切なチップ構造は、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、空乏層を通過するキャリアの走行時間などが考慮されます。その構造開発の概要を以下に示します。
（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ており、P領域とN領域は高濃度にドーピングされ、隣接するP領域またはN領域にN型またはP型の二重反発領域が導入されて二次電子と正孔のペアを生成し、一次光電流の増幅を実現します。InP系材料の場合、正孔の衝撃電離係数は電子の衝撃電離係数よりも大きいため、N型ドーピングの利得領域は通常P領域に配置されます。理想的な状況では、正孔のみが利得領域に注入されるため、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はバンドギャップが広い（InPは1.35eV、InGaAsは0.75eV）ため、通常、InPは利得領域材料として、InGaAsは吸収領域材料として使用される。
（３）吸収、勾配、利得（SAGM）構造がそれぞれ提案されている。
現在、市販のAPDデバイスのほとんどはInP/InGaAs材料を使用しており、InGaAsを吸収層として、InPを高電界（>5×10⁵V/cm）下でも破壊しないためゲインゾーン材料として使用できます。この材料の場合、このAPDの設計では、N型InPで正孔の衝突により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違いを考慮すると、価電子帯のエネルギー準位差が約0.4eVあるため、InGaAs吸収層で生成された正孔は、InP乗算層に到達する前にヘテロ接合端でブロックされ、速度が大幅に低下し、結果としてこの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、利得（SAGCM）構造がそれぞれ提案されている。
吸収層と利得層の電界分布をさらに調整するために、電荷層をデバイス設計に導入することで、デバイスの速度と応答性を大幅に向上させる。
（５）共振器強化型（RCE）SAGCM構造
従来の検出器の最適設計において、吸収層の厚さがデバイスの速度と量子効率にとって相反する要素であるという事実に直面しなければなりません。吸収層の厚さを薄くするとキャリアの通過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、共振器（RCE）構造、すなわちデバイスの上下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、これらが交互に成長し、各層の厚さは半導体中の入射光の波長の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し、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）エッジ結合型導波路構造（WG-APD）
吸収層の厚さがデバイスの速度と量子効率に及ぼす影響の矛盾を解決するもう一つの方法は、エッジ結合導波路構造を導入することです。この構造では、吸収層が非常に長いため、光が側面から入射し、高い量子効率を容易に得ることができます。同時に、吸収層を非常に薄くすることができ、キャリアの通過時間を短縮できます。したがって、この構造は、帯域幅と効率が吸収層の厚さに異なる依存性を持つという問題を解決し、高速かつ高量子効率の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ミラーの複雑な準備プロセスが不要です。そのため、実用化の面でより実現しやすく、共通平面光接続に適しています。
3．結論
雪崩の発生光検出器材料とデバイスについて概説する。InP材料の電子と正孔の衝突電離率はInAlAsのそれに近いため、2つのキャリア共イオンの二重プロセスが発生し、アバランシェ構築時間が長くなり、ノイズが増加する。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電離係数の比率が増加しているため、ノイズ性能を大きく変化させることができる。構造に関しては、吸収層の厚さがデバイスの速度と量子効率に及ぼす影響の矛盾を解決するために、共振器強化型(RCE)SAGCM構造とエッジ結合型導波路構造(WG-APD)が開発された。プロセスの複雑さから、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ある。
投稿日時：2023年11月14日