Лавинные фотодиоды в гейгер-режиме (GM-APD) — это высокочувствительные детекторы света, способные регистрировать отдельные фотоны. При поглощении фотонов определённой длины волны в фотодиодах происходит процесс ударной ионизации, в результате которого в электрическом поле происходит умножение зарядов.
Лавинный фотодиод смещён выше своего «напряжения пробоя», при котором ударная ионизация достигает самоподдерживающейся скорости, что приводит к появлению отчётливого электрического импульса, легко обнаруживаемого. Для обнаружения отдельных фотонов в присутствии других механизмов, генерирующих ударную ионизацию, лавинный диод должен одновременно иметь высокую вероятность поглощения падающих фотонов нужной длины волны, известную как квантовая эффективность (QE) с единичным усилением.
Способность поддерживать высокие поля и наличие хорошей QE на нужной длине волны являются решающими факторами, определяющими чувствительность устройства.
Некоторые GM-APD на основе 4H-карбида кремния (4H-SiC) обладают высокой эффективностью обнаружения одиночных фотонов в глубоком ультрафиолетовом (DUV) диапазоне длин волн около 280 нанометров. Для надёжного обнаружения фотонов на более длинных волнах, где поглощение слабее, SiC GM-APD необходимо повысить базовую эффективность захвата фотонов, о чём свидетельствует их QE с единичным усилением. Для этого исследователи часто используют APD со значительно более толстыми слоями поглотителя. Однако это может привести к определённым трудностям при проектировании.
В исследовании, недавно опубликованном в IEEE Journal of Quantum Electronics, доктор Джонатан Шустер из DEVCOM Army Research Laboratory (США) и его команда разработали численную модель с калиброванной библиотекой материалов 4H-SiC для создания APD в более высоких диапазонах длин волн.
Для улучшения отклика в NUV необходимо использовать APD с гораздо более толстыми слоями поглотителя (десятки микрон), что требует перехода от традиционной PIN-архитектуры (обычно толщиной менее 3 мкм) к архитектуре с раздельным поглощением и умножением заряда (SACM). Однако это связано с уникальными проблемами, такими как отклонение от существующих архитектур с передним поглотителем к очень толстому заднему поглотителю.
Используя новую численную модель, исследователи разработали SACM APD, которые, как ожидается, будут иметь высокую эффективность обнаружения одиночных фотонов в диапазоне NUV. Были рассмотрены две архитектурные схемы — без сквозного прохода (NRT) и со сквозным проходом (RT), каждая из которых имеет свои особенности проектирования.
Исследователи разработали NRT-SACM APD с QE с единичным усилением до 32% и RT-SACM с QE с единичным усилением до 71% для фотонов с длиной волны 340 нм. Эти конструкции также поддерживают большое электрическое поле в слое умножения для работы в гейгер-режиме. Улучшения в QE могут привести к более широкому применению APD в фотодетектировании на высоких длинах волн.
Доктор Шустер отмечает, что для случая NRT-SACM было определено, что профили легирования должны быть разработаны таким образом, чтобы сбалансировать два конкурирующих механизма: максимизацию длины диффузии неосновных носителей в слое поглотителя (AL) при минимизации соответствующего потенциального барьера на границе раздела AL/слой заряда (CL).
В архитектуре RT-SACM было определено, что узкий диапазон общего заряда в CL должным образом модулирует электрическое поле так, чтобы оно было ненулевым в AL и достаточно большим в слое умножения для работы выше лавинного пробоя.
Исследование определило несколько правил проектирования, которые можно использовать при разработке GM-APD для приложений подсчёта одиночных фотонов в диапазоне длин волн NUV. Исследователи определили, что конструкции CL в APD негибкие по отношению к отклонениям в толщине слоя или легировании, что усложняет их изготовление.
Лавинные фотодиоды на основе 4H-SiC находят широкое применение в ультрафиолетовом обнаружении фотонов, например, в солнечном ультрафиолетовом обнаружении, мониторинге горения и экологическом мониторинге ультрафиолетового излучения. В будущем разработанная здесь численная модель может сыграть важную роль в создании более чувствительных и эффективных APD, значительно расширив их применение.
Предоставлено Институтом инженеров электротехники и электроники (IEEE).