アバランシェ光検出器（APD光検出器）の原理と現状 第2回

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的な保証です。APD の構造設計では、主に RC 時定数、ヘテロ接合でのホール捕獲、空乏領域を通過するキャリア走行時間などを考慮します。その構造の発展を以下に要約します。

(1) 基本構造
最も単純な APD 構造は PIN フォトダイオードに基づいており、P 領域と N 領域が高濃度にドープされ、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、二次電子と正孔が生成されます。ペアで一次光電流の増幅を実現します。InP シリーズ材料の場合、正孔衝撃イオン化係数が電子衝撃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) 吸収と利得を区別する
InP の広いバンドギャップ特性 (InP は 1.35eV、InGaAs は 0.75eV) のため、通常、InP は利得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)構造をそれぞれ提案
現在、ほとんどの商用 APD デバイスは InP/InGaAs 材料を使用しており、InGaAs を吸収層として使用しており、InP は高電界 (>5x105 V/cm) 下でも破壊することなく利得ゾーン材料として使用できます。この材料の場合、この APD の設計は、正孔の衝突によって N 型 InP 内にアバランシェ プロセスが形成されるというものです。InP と InGaAs のバンドギャップの大きな違いを考慮すると、価電子帯の約 0.4eV のエネルギー準位の差により、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端で妨げられ、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、利得(SAGCM)構造をそれぞれ提案
吸収層と利得層の電界分布をさらに調整するために、デバイス設計に電荷層が導入され、デバイスの速度と応答性が大幅に向上します。

(5) Resonator Enhanced (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する必要があります。吸収層の厚さが薄いとキャリアの走行時間を短縮できるため、広い帯域幅を得ることができます。しかし同時に、より高い量子効率を得るには、吸収層の厚さを十分に厚くする必要がある。この問題の解決策は、共鳴空洞 (RCE) 構造、つまり分散型ブラッグ反射器 (DBR) がデバイスの底部と上部に設計されることです。DBRミラーは低屈折率と高屈折率の2種類の材料を交互に成長させた構造となっており、各層の厚さは半導体中で入射光の波長の1/4に相当します。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、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)
デバイスの速度と量子効率に対する吸収層の厚さのさまざまな影響の矛盾を解決する別の解決策は、エッジ結合導波路構造を導入することです。この構造は光を側面から入射させるため、吸収層が非常に長いため高い量子効率が得やすく、同時に吸収層を非常に薄くすることができ、キャリアの走行時間を短縮することができます。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 は RCE APD に比べてプロセスが単純であるため、DBR ミラーの複雑な準備プロセスが不要になります。したがって、実際の分野ではより実現可能であり、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や装置も見直します。InP 材料の電子と正孔の衝突イオン化率は InAlAs のそれに近いため、2 つのキャリア共生粒子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増加するため、ノイズ性能が大幅に変化する可能性があります。構造面では、吸収層の厚さがデバイスの速度と量子効率に及ぼすさまざまな影響の矛盾を解決するために、共振器強化（RCE）SAGCM構造とエッジ結合導波路構造（WG-APD）が開発されました。プロセスが複雑なため、これら 2 つの構造の完全な実用化についてはさらに検討する必要があります。