KR20210003925A - 과잉 잡음이 없는 선형 모드 아발란체 포토다이오드들(linear mode avalanche photodiodes without excess noise) - Google Patents

과잉 잡음이 없는 선형 모드 아발란체 포토다이오드들(linear mode avalanche photodiodes without excess noise) Download PDF

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Abstract

선형 모드 아발란체 포토다이오드(linear mode avalanche photodiode)는 증폭(amplification)으로부터의 이득(gain)으로 인한 비극저온(non-cryogenic temperature)이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음(thermal noise)의 3배 미만의 과잉 잡음 계수(excess noise factor)를 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득을 생성하도록 구성되어 전류(electrical current)를 출력하고, 그리고 광(light)을 감지한다. 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어에 대해 더 낮은 수준(degree)으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어(carrier)에 대한 충격 이온화(impact ionization)를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조(superlattice structure)를 사용하여 광 내의 하나 이상의 광자들을 검출한다. 억제된 그것의 충격 이온화를 가지는 제 1 캐리어는 ⅰ) 전자 또는 ⅱ) 정공 중 어느 하나이고; 그리고 제 2 캐리어는 전자 또는 정공이다.

Description

과잉 잡음이 없는 선형 모드 아발란체 포토다이오드들(LINEAR MODE AVALANCHE PHOTODIODES WITHOUT EXCESS NOISE)
본 개시의 실시예들은 일반적으로 포토다이오드들에 관한 것이다.
포토디텍터(photodetector)의 기능은 입사광(incident light)을 감지(sense)하고 입사광 플럭스(flux)에 비례하는(proportional) 광전류(photocurrent)인 전류(electrical current)를 출력하는 것이다. 이상적으로, 포토디텍터는 모든 입사 광자(photon)에 대해 하나의 출력 전자(electron) 또는 정공(hole)을 생성하고 모든 출력 전자 또는 정공은 입사 광자의 결과이다. 입사 플럭스가 낮은 많은 애플리케이션(application)들의 경우, 출력 전류는 후속 전자 장치(subsequent electronic)들에 사용되기 전에 증폭이 필요하다. 이전의 몇몇 포토디텍터들에서, 광자 계수(photon counting)를 달성하기 위해 광전류를
Figure pct00001
내지
Figure pct00002
만큼 배가시키기 위한 (multiply) 이득 메커니즘(gain mechanism)이 단일 광자(single photon)를 검출하기 위해 필요하다. 전류의 진폭을 증가시키는 것 외에도 증폭기들은 전류에 잡음을 추가하는 단점이 있습니다.
실제로, 많은 타입(type)들의 포토디텍터들에 대한 실온(room temperature)에서의 전자 증폭기들의 잡음 전류는 단일 광자(광자 계수) 스트림(stream)을 감지하는 데 필요한 것보다 훨씬 높다. 증폭기 잡음은 온도에 의존하므로(temperature-driven), 이러한 타입들의 포토디텍터들의 경우 증폭기를 극저온(cryogenic temperatures)으로 냉각하면 그것의 잡음이 낮아지지만, 이러한 접근은 제한된 수의 애플리케이션들에만 허용된다.
전류 배가 메커니즘(current multiplication mechanism) 중 하나는 충격 이온화(impact ionization)이다. 이 메커니즘을 기반으로 하는 포토디텍터들은 아발란체 포토다이오드(avalanche photodiode, APD)들로 알려져 있습니다.
본 명세서에서는 포토다이오드들을 위한 다양한 방법들, 장치들 및 시스템들이 제공될 수 있다.
일 실시예에서, 선형 모드 아발란체 포토다이오드들은 증폭(amplification)으로부터의 이득으로 인한 비극저온(non-cryogenic temperature)이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음(thermal noise)의 3배 미만의 과잉 잡음 계수(excess noise factor)를 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득(gain)을 생성하도록 구성되어 전류를 출력하고, 그리고 광을 감지한다. 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어(carrier)에 대해 더 낮은 수준(degree)으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서(while) 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조를 사용하여 광에서 하나 이상의 광자를 검출한다. 억제된 그것의 충격 이온화를 가지는 제 1 캐리어는 ⅰ) 전자 또는 ⅱ) 정공 중 어느 하나이고; 그리고 제 2 캐리어는 전자 또는 정공이다.
도 1은 캐리어가 정공인 원자가 전자대(valence band) 내에 초격자를 가지는 것을 통해 과잉 잡음이 실질적으로 제거되는 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD의 블록 다이어그램(block diagram)의 실시예를 도시한다.
도 2a는 거리에 따른 운동 에너지(kinetic energy)를 발생시키는 바이어스(bias) 하에서 벌크(bulk) 반도체의 원자가 전자대 내의 정공의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 2b는 바이어스 된 초격자 내에서 웰(well)들을 통해 호핑(hopping)하는 원자가 전자대 내의 정공 및 Wannier-Stark 래더(ladder)의 상태(state)들에 대한 에너지 레벨(level)들의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 3은 전자 주입(electron injection)에 대한 β/α 비(ratio) 및 평균 이득 M의 함수(function)로서 과잉 잡음 계수 F의 이론적 값(theoretical value)의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 4는 에너지가 수직으로 플롯(plot)되고 거리(distance)는 수평으로 플롯되는 반도체 및 새로운 전자-정공 페어를 형성하기 위해 필요한 운동 에너지 양의 밴드 다이어그램(band diagram)의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 5는 캐리어가 전자인 전도대(conduction band) 내에 초격자를 가지는 것을 통해 과잉 잡음이 실질적으로 제거되는 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD의 블록 다이어그램의 실시예를 도시한다.
도 6a는 전기 장(electric field)에 의해 가속화되고 운동 에너지를 축적하는 적용된(applied) 전기 장을 가지는 벌크 반도체의 전자의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 6b는 로컬화된(localized) Wannier Stark 상태들을 제어하여 충격 이온화를 억제하는 매칭된 초격자의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 7은 정공 배가가 아닌 전자 배가가 억제되는 매칭된 초격자 설계(design)를 가지는 선형 모드 APD의 그래프의 실시예를 도시한다.
도 8은 인-시튜(in-situ) 메모리(memory) 및 병렬 칼럼 리드아웃(parallel column readout)을 가지는 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD 어레이(array)의 다이어그램의 실시예를 도시한다.
도 9는 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD들을 가지는 리드-아웃(Read-out) 회로 개략도(schematic)의 다이어그램의 실시예를 도시한다.
설계는 다양한 수정물(modification)들, 등가물(equivalent)들 및 대안적인 형태(form)들에 따르면서, 특정 실시예들은 도면에서 예시로서 도시되었으며 이하에서 상세히 설명될 것이다. 설계는 개시된 특정 실시예들에 제한되지 않지만, -반대로- 특정 실시예들을 사용하는 모든 수정물들, 등가물들 및 대안적인 형태들을 포괄하는 것임을 이해해야 한다.
다음의 설명에서, 본 설계의 완전한 이해를 제공하기 위해 명명된(named) 구성요소(component)들, 프레임(frame)들의 수, 특정 데이터 신호(signal)들 등의 예시들과 같이 수많은 특정 세부 사항(detail)들이 제시될(set forth) 수 있다. 그러나, 본 설계가 이러한 특정 세부 사항들 없이도 실시될 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 다른 예에서, 잘 알려진 구성요소들 또는 방법들은 현재 설계를 불필요하게 모호하게 하는 것을 피하기 위해 상세하게 설명되지 않고 블록 다이어그램으로 설명된다. 또한 제 1 포토다이오드와 같은 특정 숫자 참조들이 만들어질 수 있다. 그러나, 특정 숫자 참조는 문자 그대로의 순차 순서대로 해석되지 않고, 제 1 포토다이오드가 제 2 포토다이오드와 다르다고 해석되어야 한다. 이에 따라, 설명된 세부 사항들은 단지 예시일 수 있다. 구체적인 세부 사항들은 현재 설계의 범위(scope) 및 진정한 사상(spirit) 내에서 여전히 고려되고, 그리고 변경될 수 있다. “결합된(coupled)” 용어는 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 다른 구성 요소를 통해 구성 요소에 간접적으로 연결되는 의미로 정의된다.
일반적으로 방법, 장치 및 시스템에 대해 설명한다. 매칭된 초격자 구조를 가지는 복수의 선형 모드 어발란체 포토다이오드의 어레이가 시스템에서 사용될 수도 있다. 선형 모드 어발란체 포토다이오드 각각은 증폭으로부터의 이득으로 인한 비극저온이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음 계수를 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득을 생성하도록 구성되어 전류를 출력하고, 그리고 광을 감지한다. 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어에 대해 더 낮은 수준(degree)으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서, 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조를 사용하여 광에서 하나 이상의 광자를 감지한다. 억제된 그것의 충격 이온화를 가지는 제 1 캐리어는 ⅰ)전자 또는 ⅱ)정공 중 어느 하나이고; 그리고 제 2 캐리어는 각각 전자 또는 정공이다. 파워 서플라이(power supply)는 복수의 선형 모드 아발란체 포토다이오드들에 전원(power)을 공급하기 위해 사용된다.
도 1 및 5는 캡(cap) 레이어, 흡수(absorption) 레이어, 초격자 배가 영역에서 매칭된 초격자 구조, 및 컬렉터(collector) 레이어를 가지는 선형 모드 APD(100,500)를 도시한다. 전압 제어기(voltage controller)는 선형 모드 APD(100,500)에 역 바이어스(reverse bias)를 적용한다. 선형 모드 APD(100,500)는 증폭으로부터의 이득으로 인한 비극저온이나 또는 그 이상에 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음 계수를 생성하면서 증폭의 1000배 이상의 잠재적인(potentially) 지수 이득(exponential gain)을 생성하도록 구성되어 광을 감지하고 그리고 전류를 출력한다. 초격자 구조는 다른 캐리어에 대한 충돌 이온화를 유지하면서 선형 모드 APD(100,500)에서 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 억제하도록 매칭된다. 억제된 그것의 충격 이온화를 가지는 제 1 캐리어는 ⅰ)전자 또는 ⅱ)정공 중 어느 하나이고; 그리고 그것의 충격 이온화가 유지하는 다른 캐리어는 전자 또는 정공이다. 우리는 캐리어가 전자인 경우에 전도대에서 초격자를 가지고(도 5 참조), 캐리어가 정공인 경우에 원자가 전자대에 초격자를 만들어(도 1 참조) 캐리어의 충격 이온화를 억제한다. 비극저온은 예를 들어, 영하 50도보다 더 따뜻할 수도 있다.
이에 따라, 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD(100,500)는 ⅰ) 제 1 캐리어가 정공인 전도대에서 초격자를 구현하고, 그리고 ⅱ) 제 1 캐리어가 전자인 원자가 전자대에서 초격자를 구현하여 제 1 캐리어의 충격 이온화를 억제하기 위해 초격자 배가 영역에서 구성된다. 충격 이온화로부터의 이득은 매칭되는 초격자를 사용하는 것을 통해 밴드갭 에너지(bandgap energy) Eg보다 더 큰 운동 에너지(kinetic energy) KE를 가진 다른 캐리어에 의해서만 시작될 수 있으며, 뿐만 아니라, 전자 또는 정공 중 하나인 제 1 캐리어는 이온화에 충격을 줄 만큼 큰 전기장 아래에서 충분한 운동 에너지를 축적하는 것을 방지한다.
초격자 구조에 적용되는 고정되거나 가변되는(variable) 전기장에 대해 전압 제어기와 초격자 구조 사이의 협력이 존재한다. 매칭된 초격자 구조를 형성하는 둘 이상의 재료들의 레이어들의 주기적 구조(periodic structure)는 단독으로(alone) 배리어 반도체(barrier semiconductor) 또는 웰 반도체(well semiconductor)의 레이어에 충격 이온화를 유지하는 전기 장(electric field)을 가지도록 초격자가 전압 제어기(voltage controller)에 의해 바이어스 되는(biased) 그것의 웰들 각각에서 적어도 하나의 양자(quantum) 상태를 가지도록 설계된다. 매칭된 초격자 구조에 대한 재료들의 주기형 세트는 적용된 바이어스 하에서 인접한 웰들의 양자 상태들의 파동함수(wavefunction)들의 공간적 오버랩(spatial overlap)을 또한 가지도록 설계되어, 제 1 캐리어는 제 1 웰에서 제 2 웰로 호핑하여 초격자를 가로지르고(traverse), 그리고 웰에서 웰로 호핑하는 경우마다 새로운 전자-홀 페어를 형성하기 위해 충격 이온화 하는데 필요한 운동 에너지 미만이 되도록(end up) 적용된 바이어스에 의해 공급되는 에너지의 양을 실질적으로 손실(lose)한다. 전압 제어기의 바이어스 범위는 이러한 목표(objective)들을 용이하게 할 것이다.
큰 공간적 오버랩은 특정 웰의 로컬화된 상태에 있는 캐리어의 급격한 붕괴(decay)를 인접한 상태의 더 낮은 에너지의 로컬화된 상태로 촉진한다. 이러한 과정을 호핑이라고 한다. 에너지 차이는 포논(phonon)들의 방출로 손실된다. 캐리어는 한 웰에서 다음 웰로 호핑하고 모든 단계에서 포논들에 적용된 바이어스에 의해 공급되는 에너지를 잃음에 따라 초격자를 가로지른다.
배가 영역에서 매칭된 초격자 구조는 밴드 에너지 구조의 정확한 형상화(shaping)를 허용하기 위해 나노미터-두께 레이어들의 주기적 세트들 100개를 가질 수 있는 매칭된 재료들을 통해 단 하나의 밴드(잡음 없는 이득)에서 밴드 불연속성(discontinuity)을 제공할 수 있다. 배가 영역에서 매칭된 초격자 구조를 형성하는 재료들은 주기적으로 반복된다.
매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD(100,500)는 초격자 구조를 형성하기 위해 반도체들의 격자 매칭된 페어들로부터 선택될 수 있는 기재(substrate) 상에 성장된 2개 이상의 재료들의 레이어들의 주기형 구조를 사용하여 초격자 배가 영역에서 오직 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 억제하도록 매칭된다. 격자 매칭된 페어들은 ⅰ) 적어도 대부분이 억제된 캐리어에 대응하는 밴드 내에 존재하고, 그리고 ⅱ) 충격 이온화가 억제되는 억제된 캐리어에 대응하는 밴드 내에 완전히 존재하도록 세팅된 그들의 밴드 오프셋(band offset)들을 가질 수 있다. 초격자 구조의 주기를 형성하는 반도체들의 격자 매칭된 페어들은 제 2 반도체 재료 및 제 1 반도체 재료의 교번 레이어(alternating layer)들의 적어도 하나의 페어로 구성된다. 초격자는 주기의 레이어 각각의 대응하는 두께가 동일한 여러 주기(multiple period)들의 반복으로 구성된다. 제 1 반도체의 모든 레이어들은 도핑(doping)없이 실질적으로 동일한 두께를 가진다. 제 2 반도체의 모든 레이어들은 도핑없이 실질적으로 동일한 두께를 가진다. 그러나, 제 1 반도체의 레이어들의 두께는 제 1 반도체의 레어어들의 두께와 상이할 수 있다.
다른 밴드에서 억제되지 않은(unsuppressed) 캐리어는 낮은 에너지에서 초격자에 있지 않으므로, 벌크 반도체에 있는 것처럼 전송(transport)이 질적으로(qualitatively) 진행될 것임을 유의한다. 다른 밴드에서 억제되지 않은 캐리어는 선형 모드 APD에 대해 필요한 이득을 제공하기 위해 충격 이온화 할 것이다. 제 1 캐리어의 반대 밴드에서 발생하는 충격 이온화가 억제되면 과잉 잡음이 제거될 것이다.
매칭된 초격자를 가지는 선형 모드 APD(100,500)는 UV, 가시 광선 및 단파 IR(~2500nm) 광파들을 포함하는 광범위한 광 검출에 걸쳐 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 선형 모드 APD(100,500)는 실온(room temperature) 근처에서 높은 양자 효율로 단일 광자들을 검출할 수 있다. 그러나, 매칭되는 초격자가 없는 이전의 포토 디텍터들은 그들이 생성하는 잡음이 광자들로부터의 감지 신호를 압도할 수 있다. 매칭된 초격자를 가지는 선형 모드 APD(100,500)은 선형 모드 어발란체 포토다이오드가 한 세트 주기의 시간(a set period of time) 이후까지 또 다른 광자를 검출할(detect) 수 없는 경우에 단일 광자의 검출 이후에 데드 타임(deadtime)을 가지는 패널티(penalty)없이 단일 광자를 검출할 수 있다. 이에 따라, 감지 이벤트(event)(=“실시간” 데이터 수집)시 픽셀(pixel) “데드 타임”이 없다. 매칭된 초격자를 가지는 선형 모드 어발란체 포토다이오드는 배가 과정에서 잡음을 거의 추가하지 않으면서 단일 광자의 신호를 측정 가능한 전압으로 증폭할 전자 장치들의 잡음-등가 입력 전류보다 높게 광전류를 배가한다(multiply).
매칭된 초격자를 가지는 APD(100,500)는 선형 증폭기로서 작동하므로 Geiger 모드 APD와 달리 매칭된 초격자를 가지는 선형 모드 APD(100,500)는 여러 광자들의 거의 동시(near simultaneous) 도착을 해결하고, 그리고 그것이 광자를 감지한 후 그것은 데드 타임을 가지지 않는다. APD(100,500)는 실온, InP 기반의(InP-based), 광자 당
Figure pct00003
의 전자들의 이득을 가지는 선형 모드 APD, 낮은 과잉 잡음 및 높은 양자 효율을 제공하여, 디텍터 감도(sensitivity)에서 궁극치(ultimate)를 달성할 것이다. 매칭된 초격자를 가지는 선형 모드 APD(100,500)는 데드 타임이 없고 과잉 잡음을 최소화하면서 예를 들어, 실온 이상에서 단일 광자 감도를 동시에 달성할 수 있다.
다음으로, 통상적으로, 일반적인 APD는 광전류를 엄청나게 증가시킬 수 있는 큰 내부 이득 M을 가지고 있다. 하지만, 과잉 잡음으로 알려진 배가 과정에 의해 부가된 잡음이
Figure pct00004
Figure pct00005
의 적절한 값(modest value)에서 조차도 증폭된 신호를 압도하기 때문에 그것의 성능은 실망스럽다. 과도한 잡음의 원인은 전자에 의한 충격 이온화와 정공에 의한 충격 이온화의 동시 존재이다. 그들은 함께 충격 이온화 과정에서 작은 변동(fluctuation)들을 확대(magnify)하는 포지티브 피드백 루프(positive feedback loop)를 생성한다. APD를 특성화하는데 사용되는 2개의 파라미터(parameter)들은 전자 개시된(electron-initiated) 충격 이온화 계수(coefficient) α_ 및 정공 개시된 충격 이온화 계수 β이다. 과잉 잡음 계수 F는 α_ 또는 β_가 0인(단극 이득(unipolar gain)) M의 모든 값들에 대해
Figure pct00006
이지만, 양극 이득(bipolar gain)에 대해 큰 M에 대해서 F는 M에 비례한다 (도 3 참조).
도 3은 전자 주입에 대한 평균 이득 M 및 β/α 비율의 함수로서 과잉 잡음 계수 F의 이론적 값의 그래프(300)를 도시한다. 0.03의 β/α 곡선은 실온에서 APD에 대한 현재 최고 값이다. β/α 곡선은
Figure pct00007
에 대해 M이 증가함에 따라 F가 증가함을 보여준다. 매칭되는 초격자는
Figure pct00008
를 가질 수 있다.
매칭된 초격자를 가지는 선형 모드 APD는 단극 이득을 가지며, 광전자증배관(photomultiplier tube, PMT)처럼 동작할 것이지만 디바이스에 의해 차지되는(occupied) 구역(area), 그리고 반도체 디바이스와 관련된 견고함(ruggedness)에서 엄청난 시스템 이점들을 가진다. 디텍터 내에서 낮은 잡음을 가지는 높은 이득을 제공함으로써 단극 이득 APD는 선형모드에서 광자 계산(photon count)할 수 있고-그것의 출력은 여러 광자들의 동시 도착을 구별할 수 있는 파형(waveform)을 제공하기 위해 상용(commercially available) 전자 증폭기들에 결합될 수 있다.
선형-모드 광자 계수(photon counting)를 위해 충분히 낮은 과잉 잡음 이득을 제공할 수 있는 실온 APD 기술이 없으면 대안은 Geiger모드에서의 광자 계수이다. 이 모드에서 APD는 단일 광자의 도착 또는 암전류에 의해 트리거될 때까지 전류가 흐르지 않는 준안정(metastable) 상태로 항복 전압(breakdown voltage)보다 높게 바이어스 된다. 트리거 되면 APD 전류는 쉽게 감지될 수 있는 값으로 빠르게 증가한다. Geiger 모드 APD는 단일 광자 감지가 가능하지만 2가지 심각한 단점들이 있다: (1) 그것이 트리거 된 후에 ~ 100 나노초 이상의 데드 타임이 있으며 그 동안에는 광응답(photoresponse)이 없고; 그리고 (2) 그것은 트리거된 후에 수 마이크로초 동안 더 높은 다크 카운트 레이트(dark count rate)를 제공하는 아발란체 동안의 트랩(trap) 상태들에 의해 캡처된(captured) 캐리어들의 재방출을 펄싱 이후에 가진다. 이들 중 두 번째는 신호 광자들의 도착이 제시간에(in time) 클러스터링 되는(clustered) 애플리케이션들(LIDAR와 같은)에 대한 위양성 비율(false-positive rate)을, 그리고 첫번째는 위음성 비율(false-negative rate)을 증가시킨다.
다음으로, 도 2 및 5는 전자와 정공 전송 사이에 막대한 비대칭(asymmetry)을 생성하여 과잉 잡음이 실질적으로 제거되는 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD(100,500)를 나타낸다. 초격자 구조는 특별한 충격 이온화 특성(property)들이 없는 구성 성분(constituent)들을 사용하여 바람직한(desirable) 단극 충격 이온화를 가진 재료들의 한 세트를 가지고 있다; 그리고 이에 따라 광범위한 파장들을 검출하기 위해 집합적으로(collectively) 사용되는 APD(100,500) 스패닝(spanning) 재료 시스템에 잠재적으로 이용될(employed) 수 있다. 이득 영역은 둘 이상의 격자-매칭된 반도체 합금들로 구성된다. 매칭된 둘 이상의 격자-매칭된 반도체 합금들은 전체 밴드 오프셋이 원자가 전자대 또는 전도대에만 있다는 특성을 가지고 있다. 밴드 오프셋이 원자가 전자대 또는 전도대에만 있는 경우는 도 1 및 5를 참조한다.
도 2a는 거리에 따른 운동 에너지를 발생시키는 바이어스 하에서 벌크 반도체의 원자가 전자대에 있는 정공의 그래프의 실시예를 도시한다. 도 2b는 편향된 초격자에서 웰들을 통해 호핑하는 원자가 전자대의 정공과 Wannier-Stark 래더의 상태들에 대한 에너지 레벨들의 그래프의 실시예를 도시한다. 도 1, 2a 및 2b는 원자가 전자대의 초격자만 가지는 전자 배가(electron multiplication)로부터의 이득을 나타낸다. 유사하게, 도 5, 6a, 6b 및 7은 원자가 전자대 대신 전도대에 있는 초격자만 가지는 정공 배가(hole multiplication)로부터의 이득을 보여줍니다.
APD들의 충격 이온화
도 4는 새로운 전자-정공 페어를 형성하기 위해 충격 이온화 하는데 필요한 운동 에너지 양과 에너지가 수직으로 플롯되고 거리는 수평으로 플롯되는 반도체의 밴드 그래프(400)를 보여준다. 자유 전자들은 전도대에 있고 자유 정공들은 원자가 전자대에 있다. 전도대 및 원자가 전자대는 허용된 전자 또는 정공 상태들이 없는 밴드갭(bandgap)의 폭 Eg에 의해 분리된다. 적용된 전기장에서 밴드들은 도 4에 나타난 바와 같이 장(field)의 규모(magnitude)에 비례하여 기울어진다(tilted). 왼쪽 상단의 전자는 적용된 장에 의해 가속됨에 따라 오른쪽으로 이동한다(travel). 전자의 순간(instantaneous) 위치와 전도대 사이의 수직 거리는 전자의 순간 운동 에너지이다. 전자의 운동 에너지가 밴드갭 에너지를 초과하면 그것은 충격 이온화에 의해 전자-정공 페어를 생성하기에 충분한 에너지를 갖게 된다. 전자가 충격 이온화 되는 경우 대부분의 운동 에너지는 전자-정공 페어를 생성하는데 들어가고(go into) 그리고 결과적으로 운동 에너지가 거의 없는 하나의 정공 및 2개의 전자들이 생성된다. 전자-개시 충격 이온화는 계수 α, 즉 센티미터 당 전자-개시 충격 이온화의 평균 수에 의해 특징화 된다(도 1 참조).
전자-정공 페어를 생성하기 위해 가속하는 정공을 가지는 원자가 전자대에서 유사한 일련의 이벤트들이 발생할 수 있다. 이 경우, 정공-개시 충격 이온화 후 2 개의 정공과 하나의 전자가 있다(그림 5 참조). 이 과정(process)은 정공-개시 충격 이온화 계수 β에 의해 특징화 된다.
도 1은 초격자 배가 영역에 중첩된 두 밴드들의 그래프들을 나타낸다. 전자와 정공은 모두 전기장에 의해 가속화되므로 둘 다 충격 이온화에 의해 새로운 전자-정공 페어의 생성을 시작할 것이다. - 일반적인 경우는 다음 섹션(section)에서 설명될 것이지만 β=0인 경우는 쉽게 이해될 수 있다. 단일 전자는 충격 이온화하여 결과적으로 2개의 전자들 및 하나의 정공이 생성된다. 2개의 전자들 각각은 충격 이온화 후에 4개의 전자들을 남기고 그리고 가속된다. 4개의 전자들은 8개 등이 되어 전자들의 수는
Figure pct00009
로서 거리 z에 따라 기하급수적으로(exponentially) 증가한다. 전자가 생성되는 시간마다 정공이 생성되기 때문에 정공들의 수도 또한 기하급수적으로 증가한다. 이러한 정공들은 β=0인 경우에 충격 이온화하지 않기 때문에, 그들은 전자들의 수를 증가시키지 않는다. 따라서, β=0인 경우, 반도체는 그것의 충격 이온화 전에 전자가 이동하는 거리의 변동들로부터 발생하는 유일한 잡음과 지수 이득(exponential gain)
Figure pct00010
을 제공한다. 비슷하게, α=0은 지수 이득
Figure pct00011
를 제공한다.
APD들의 과잉 잡음
몇몇 이전 기술들에서, 대부분의 반도체들에 대해, α 및 β의 값은 매우 유사하므로 지수 이득의 단순한 경우는 유지되지(hold) 않는다. 광생성(photogenerated) 전자가 z=0에서 흡수 레이어로부터 바이어스된 반도체 레이어로 주입되고,
Figure pct00012
에서 제 1 충격 이온화를 시작하는 경우가 고려된다.
제 2 전자 및 정공이 충격 이온화에 의해 생성된다. 전자와 반대 전하(opposite charge)를 가지는 정공은 전자들과 반대 방향으로 드리프트(dift)하고, 그리고 그것이 반도체 레이어의 단부에 먼저 도달하지 않는 경우에 z=0과
Figure pct00013
사이의
Figure pct00014
의 어딘가(somewhere)에 새로운 전자-정공 페어를 생성하기 위해 충격 이온화할 것이다. 그것이 결정 결함(crystal defect) 또는 포논을 산개하는 위치와 시기에 있어서 임의성(randomness)때문에 그것이 충격 이온화하기 전에 정공이 얼마나 멀리 드리프트 하는 것에 있어서 몇몇의 무작위 변화가 존재한다.
Figure pct00015
에서 새로 생성된 전자는
Figure pct00016
으로 드리프트할 것이며, 더 많은 전자-정공 페어들을 생성하기 위한 그 과정에서 아마도 충격 이온화(impact ionizing)할 것이다. 제 1 충격 이온화에서 나오는(emerging) 2개의 전자들이 그 뒤에 생성될 전자-정공 페어들을 고려하지 않더라도,
Figure pct00017
에서 충격 이온화하는 단일 초기(initial) 광전자는
Figure pct00018
를 통과하는 후속 전자들을 생성한다는 것이 분명해야 한다. 그러나
Figure pct00019
을 통과하는 제 2 전자가 방금 설명된 충격 이온화의 시퀀스(sequence)에 의해 생성된 초기 광전자의 부산물(byproduct)인지 또는 레이어에 주입된 제 2 광전자인지 구별하는 것은 불가능하다. 첫번째 상황의 신호는 초기 전자만 주입되었기 때문이고 두번째 상황에서는 약간 다른 시간에 두 개의 전자가 주입되었기 때문이다. 충격 이온화는 이러한 가능한 입력들 간의 차이를 모호하게 하므로 이 프로세스는 신호에 잡음을 추가한다. 이 잡음은 과잉 잡음으로 알려져 있다. APD들의 과잉 잡음은 널리 연구되고 있다.
도 3은 β/α의 함수로서의 과잉 잡음 계수 F와 이득 영역으로의 전자 주입에 대한 평균 APD 이득 M을 나타낸다. β/α=0의 곡선은 모든 M에 대해 가장 낮은 F를 제공하며, 위에서 설명한 β=0의 경우이다. F가 이상적인 경우에 예상되는 1의 값이 아닌 2의 값을 가지는 결과는 충격 이온화가 포아송 프로세스(Poisson process)라는 계산들에서 만들어진 가정(assumption) 때문이다. β/α가 증가함에 따라, 과잉 잡음 계수는 낮은 M에서 F = 2로 유지되지만 높은 M에서 증가한다. 곡선들을 면밀히 살펴보면 F=3을 가지는 이득 M을 달성하기 위해
Figure pct00020
을 필요로 한다(require). 몇몇 조건들 하에서 단일 광자들을 감지하기에 충분하고 적은 과잉 잡음을 가지는
Figure pct00021
의 이득을 달성하는 것은
Figure pct00022
를 가지는 반도체를 필요로 한다. 지금까지, α와 β 사이의 큰 차이를 가지는 단일 구성요소 반도체는 알려져 있지 않으므로, 단지 제 1 캐리어 타입(전자 또는 정공)에 대해 개시되는 이득을 달성하고, 이러한 차이를 달성하기 위해 합금들을 가지는 엔지니어링 재료(engineered material)들이 필요하다.
도 3에서, F가 커짐에 따라 알파/베타 또는 베타/알파가 매우 작아지지 않는 한 M은 커진다. 현재 설계는 매우 작은 알파/베타 또는 베타/알파를 만들고, 이에 따라 큰 M에 대해 작을 F를 얻는 방법이다.
Figure pct00023
또는
Figure pct00024
을 동시에 가지는 또 다른 결과는 아발란체 항복(avalanche breakdown)이다. 항복은 유한 전압 및 유한 사이즈의 배가 영역에 대해 전자들 또는 정공들의 수가 임의적으로(arbitrarily) 커지는 경우에 발생한다. β=0 또는 α=0에 대해 앞서 설명된 바와 같이, 전자들 및 정공들의 수는 z에 따라 기하급수적으로 증가한다. 이 수는 빠르게 증가하고 있음에도, 유한 전압(α 및 β는 유한하게 유지됨을 암시함) 및 유한 사이즈(z가 유한하게 유지됨을 암시함)에 대해 유한하게 유지한다.
하지만
Figure pct00025
및
Figure pct00026
인 경우 상황이 변한다. 단일 전자가 z=0에서 배가 영역에 주입되고
Figure pct00027
에서 충격 이온화가 시작된다고 가정한다. 이 충격 이온화에서 생성된 정공은 -z 방향으로 드리프트 하고, 그리고 z=0에서 배가 영역의 단부에 도달하기 전에 충격 이온화할 수 있다. 그런 경우, 0과
Figure pct00028
사이의 어딘가에 전자를 생성한다. 이것은 정확히 나중에 반복되는 초기 상황이다. 항복의 임계(threshold)에서, 이와 같은 루프(loop)들은 자체-유지되어 단일 주입된 전자가 무한한 수의 후속 전자들을 생산한다(produce). 우리가 각 캐리어에 의해 초기화된(initialized) 제 1 충격 이온화만을 고려한 이 단순화된 상황(picture)에서 캐리어의 축적은 시간에 따라 기하급수적으로 발생한다. 모든 충격 이온화를 고려한 보다 현실적인 상황(picture)은 시간에 따라 훨씬 빠른 증가를 제공한다.
논의된 바와 같이, 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 증폭으로부터의 이득으로 인한 비극저온 온도 이상에 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음 계수(
Figure pct00029
)를 생성하면서 증폭의 1000배(
Figure pct00030
) 이상의 이득을 생성하도록 구성되어 광을 감지하고 그리고 전류를 출력한다. (도 3의 오른쪽 아래 부분에서 음영 처리된 구역을 참조) 일 실시예에서, 사용 가능한 최소 이득은 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음을 생성하면서 증폭의 200배 이상에 걸칠(span) 수도 있다.
일 실시예에서, 증폭이 단지 ⅰ)전도대 또는 ⅱ)원자가 전자대에서 발생하도록 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 어발란체 포토다이오드는 증폭으로부터의 이득으로 인해 실온이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음을 생성하면서 증폭의 10,000배(
Figure pct00031
) 이상의 이득을 생성하도록 구성된다. (
Figure pct00032
) 증폭의 10,000배의 이득을 가지는 매칭된 초격자 구조를 가진 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 선형 모드 아발란체 포토다이오드가 한 세트 주기의 시간 이후까지 또 다른 광자를 검출할 수 없는 경우에 단일 광자의 검출 이후에 데드 타임(deadtime)을 가지는 패널티(penalty)없이 단일 광자를 검출할 수 있다. (이에 따라, 검출 이벤트(= “실시간” 데이터 수집)에 픽셀 “데드-타임”이 없다.) 데드 타임으로, APD에 의해 캡처된 파형은 후속 광자(subsequent photon)가 감지될 수 없는 경우 광자 각각의 감지 이후에 시간에 갭(gap)을 가질 것이다.
도 2a 및 2b는 바이어스된 벌크 반도체 및 바이어스된 초격자에서 정공 전송의 비교를 도시한다. 도 2a의 그래프(200)를 참조하면, 벌크 반도체에서 전기장은 확장된 상태(extended state)에서 왼쪽으로 정공을 가속시킨다. 정공의 운동 에너지는 충격 이온화를 위해 충분한 에너지를 가지는 경우까지 가속화됨에 따라 증가한다. 도 2b의 그래프(250)를 참조하면, 바이어스된 초격자에서 허용되는 상태들은 주로 하나의 웰에 있지만 외쪽의 몇 개의 웰들로 확장되는 Wannier-Stark 상태들이다. 웰 A의 기저 상태(ground state)는 웰 B의 제 1 여기 상태(excited state)이기도 하다. 이러한 확장된 상태의 정공은 포논 또는 광자를 방출하여 웰 B의 기저 상태로 이완할 수 있다. 이런 방식으로 정공은 충격 이온화를 위한 충분한 에너지가 없고 로컬(local) 기저 상태를 유지하면서 왼쪽으로 전송될 수 있다.
도 1, 2b, 5, 6b 및 7에서 나타나 있듯이, 예를 들어, 두개의 매칭된 합금들의 초격자는 하나의 밴드에 웰들 및 배리어(barrier)들을 가지지만 다른 밴드에는 없으므로, 2개의 밴드들에서 캐리어 수송은 매우 다를 것이다. 오프셋이 있는 밴드에서의 전송은 하나의 웰에서 로컬화된 상태로부터 인접 웰에서 로컬화된 상태로 호핑(또한, 포논-원조 터널링(phonon-assisted tunneling)으로 알려짐)에 의해 수행될 것이다. 적용된 전기장에 의해 캐리어로 전달된(imparted) 에너지는 포논 또는 중파(midwave) 또는 장파(longwave) 적외선 광자들을 통해 소멸되어, 캐리어는 충격 이온화를 위한 충분한 운동 에너지를 축적하지 않는다. 따라서, 초격자는 β=0을 가진다.
오프셋이 없는 밴드의 캐리어는 호핑에 필요한 로컬화 상태를 갖지 않는다. 따라서, 바이어스 하에서 일반적인(ordinary) 반도체와 마찬가지로 전기장에서 드리프트 하는 동안에 그것이 운동 에너지를 축적하는 확장 상태에 있고, 그리고 그것의 운동 에너지가 밴드갭 에너지를 초과하는 경우에 그것은 충격 이온화한다(도 1,4 및 5 참조). 매칭된 선형 모드 APD 구조는 전자 및 정공의 충격 이온화 능력(ability) 사이에 큰 비대칭성을 가지고, 그리고 실온에서 낮은 과잉 잡음(F<2)으로 높은 이득(>
Figure pct00033
)을 가진 APD(100,500)을 제공할 수 있다.
위의 논의에서 α=0 또는 β=0인 경우, 과잉 잡음이 없는 지수 이득이 발생한다. 이를 위해, 충격 이온화는 밴드갭 에너지보다 더 큰 운동 에너지를 가진 캐리어에 의해서 오직 시작될 수 있음을 유의한다(note). 매칭된 초격자 구조는 반대 캐리어(opposite carrier)가 충격 이온화를 위한 운동 에너지를 충적할 수 있을 만큼 충분히 큰 전기장 하에서 전자 또는 정공 중 하나가 충분한 운동 에너지를 축적하는 것을 방지한다. 이에 따라, 반대 캐리어가 충격 이온화를 위해 필요한 운동 에너지를 축적할 수 있는 만큼 큰 전기장 하에서 초격자 구조가 전자 또는 정공 중 하나가 충분한 운동 에너지를 축적하는 것이 방지되도록 야기하는 매칭된 초격자의 사용을 통해 밴드갭 에너지보다 더 큰 운동 에너지를 가지는 캐리어에 의해서 충격 이온화로부터의 이득은 오직 시작될 수 있다.
매칭된 선형 모드 APD(100,500)는 다른 캐리어에 대한 충격 이온화를 유지하면서 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 억제함으로써 과잉 잡음을 제거한다. 크거나 작은 α/β를 가진 선형 모드 APD를 만들려는 시도는 다른 캐리어에 대해서는 충격 이온화를 유지하면서 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 향상시키는 것에 기반한다. 제 1 캐리어의 충격 이온화 속도(impact ionization rate)에서 주어진 부분적 변화(fractional change)에 대해, 억제를 위해 그것을 사용하는 것은 α/β에 더 큰 변화를 제공한다. 예를 들어, 캐리어의 충격 이온화 속도를 50% 증가시키면 α/β가 3/2배만큼(by a factor of) 증가하는 반면에(while), 충돌 이온화 속도를 50% 감소시키면 β/α가 2배만큼 증가한다.
도 2a 및 2b의 정공 논의와 유사하게, 도 6a는 그 장에 의해 가속되고 운동 에너지를 축적하는 적용된 전기장을 가지는 벌크 반도체에서 전자의 그래프(600)의 실시예를 도시한다. 도 6b는 로컬화된 Wannier Stark 상태를 제어함으로써 충격 이온화를 억제하는 매칭된 초격자의 그래프(650)의 실시예를 도시한다. 초격자는 둘 이상의 재료 레이어의 주기적 구조일 수 있다. 일반적으로 재료 레이어의 두께는 나노미터로 표시될 수도 있다. 적절한 밴드 오프셋 및 레이어 두께를 가지면, 전기적 바이어스 하에서 초격자가 대부분 단일 웰에 로컬화된 Wannier-Stark 상태들을 형성한다. 이러한 상태들의 에너지 레벨은 점선들로 표시되고, 그들의 파동 함수는 채워진 음영 곡선들로 표시된다. 전자가 그 장에서 가속할 수 있는 확장 상태들의 연속체(continuum)는 배리어 에너지보다 많은 에너지들에 존재한다. 연속체를 차지하는 것으로부터 전자들이 방지되는 것은 필수적(imperative)이다. 초격자의 적절한 설계를 통해 Wannier-Stark 상태들 및 연속체는 에너지의 많은 kT로 인해 분리된다. 이에 따라, Wannier-Stark 상태들의 전자는 그들이 전기장에 의해 가속될 수 있는 연속체 내에 열적으로 여기될(exctied) 가능성이 낮다.
웰 0의 Wannier-Stark 상태에 있는 전자의 경우 웰 1의 상태는 더 낮은 에너지이므로 더 바람직함(favorable)에 유의한다. 전자는 에너지를 보존하기위해 포논 또는 광자를 방출함으로써 웰 0에서 웰 1로의 전이(transition)를 할 수 있다; 이 과정을 호핑이라고 한다. 호핑의 확률은 웰 0 파동 함수와 웰 1 파동 함수의 오버랩에 비례한다. 더 얇은 웰들 및 배리어들과, 배리어와 웰 전도대 레벨들 간의 더 작은 차이는 오버랩이 더 커지지만 우리가 제거하려는 확장 상태들로 로컬화 상태들을 다시 변환할 수 있다. 웰 0 상태에서 웰 1 상태로 전자 호핑은 2개의 유용한 기능들을 달성한다(accomplish). 웰 0 상태에서 웰 1 상태로 호핑하는 전자는 z-방향으로 하나의 초격자 주기 'a'만큼 전자를 이동시키고, 그리고 그것은 전자로부터 aEa의 에너지를 제거하는데, 여기서 q는 전자 전하(electron charge)이고, 그리도 E는 적용된 전기장이다. 이것은 벌크 반도체에서 거리 'a'에 걸쳐 그 장이 전하 q에 전달하는 운동 에너지이다. 초격자에 있는 전자는 운동 에너지를 변경하지 않고 필드에서 a 거리만큼 이동했다. 일단 전자가 웰 1에 있으면, 전자는 충격 이온화에 필요한 운동 에너지를 얻지 않고도 웰 2, 그리고 다음 웰 3, 등으로 호핑할(hop) 수 있다.
웰 및 배리어 레이어들의 두께는 이러한 설계 목표(goal)들에 따라 결정된다: Wannier-Stark 상태들은 의도하는 캐리어 배가를 제공하기 위해 필요로 하는 적용된 전기장에서 형성되고, Wannier-Stark 상태들의 에너지 레벨은 웰들에서 캐리어가 연속체로 열적으로 여기되지 않을 만큼 충분히 낮고, 그리고 인접한 웰들의 상태들은 큰 오버랩을 가져 호핑이 빠를 수 있다.
위의 논의는 전도대에서 초격자에 의한 전자-개시 충격 이온화를 억제하고; 그리고 이에 따라서(accordingly), 정공-개시 충격 이온화는 원자가 전자대의 초격자를 사용하여 유사한 방식으로 억제될 수 있다(도 2b 및 1 참조). 그럼에도 불구하고, 초격자가 있는 하나의 밴드에서 충격 이온화를 억제하는 것은 APD에서 과잉 잡음을 제거하기 위한 솔루션의 절반임을 유의한다. 특별한 고려없이 두 개의 반도체들(하나는 웰에 대해, 그리고 하나는 배리어에 대한 것임)을 선택하는 것은 원자가 전자대 및 전도대 둘 다에서 초격자를 초래할(lead to) 가능성이 크다. 충격 이온화는 설계에 따라 하나의 밴드에서 억제될 것이지만, 다른 밴드에서 충격 이온화가 또한 억제되거나 적어도 감소될 수도 있다. 따라서 충격 이온화가 억제되는 밴드에 밴드 오프셋들이 완전히 있는 반도체들의 페어를 선택하는 것이 유리할 것이다.
다른 밴드는 오프셋이 없을 것이고, 그리고 거의 벌크 반도체처럼 행동할 것이다. 그러나 두가지 주요 차이점들이 있다. 첫째, 두 재료들의 충격 이온화 계수가 다를 수 있다. 그것의 효과적인 충격 이온화 계수는 벌크 반도체들 각각의(individual) 계수들 사이 어딘가에 있을 것이다. 둘째, 캐리어 유효 질량(effective mass)은 다를 수 있다. 유효 질량 초격자는 상호 공간(reciprocal space)의 Г 포인트(point) 근처에 캐리어들을 위한 웰들 및 배리어들이 없을 것이다.
반도체 페어 밴드 오프셋이 억제된 밴드에 완전히 있는 초격자의 억제된 밴드는 여전히 2개의 레이어들에 대해 다른 유효 질량들을 가질 것이다. 따라서, (상호 공간의 감자 포인트(gamma point) 근처에) 운동 에너지가 거의 없는 캐리어에 대한 웰들이 없지만 캐리어가 운동 에너지를 획득함에 따라 웰들이 점차 형성되는 유효 질량 초격자를 형성한다. 초격자를 형성하는 재료들의 세부 사항들에 따라 전도대 웰들은 원자가 전자대 웰들과 동일한 레이어에(유형 I 정렬) 또는 반대 레이어들(유형 II 정렬)에 있을 수도 있다. APD에 대한 최악의 경우에서, 유효 질량 초격자의 출현은 억제되지 않은 밴드 내에서 캐리어들을 억제하기 시작할 수 있다. 몇몇 중간(intermediate) 운동 에너지를 가지는 캐리어들에 대해 유효 질량 초격자가 사라지도록 밴드 오프셋을 선택하여 이 효과는 개선될 수 있다.
다음으로 다시 도 1은 초격자 배가 영역에 오버랩된 두 밴드들의 그래프들을 나타낸다. 초격자는 전체적으로 Ev 원자가 전자대에 있도록 세팅된다(이에 따라, 전자들을 곱하지만 정공들은 아님). 따라서 Ec 전도대는 본질적으로 아래쪽으로 경 사진 직선(straight line)이다. 도 1은 제안된 APD(100)의 역방향 바이어스 하에서 Epitaxial 구조 및 에너지 밴드 다이어그램을 나타낸다. 광자(빨간색 물결 모양 화살표(wavy arrow))는 p-InGaAs 흡수 레이어에 흡수되어 전자(검은색 원)-정공(하얀색 원) 페어를 생성한다. 정공은 p-InP 캡 레이어로 분산되고(diffuse), 그리고 전자는 배가로 분산된다. 전자는 2 차 전자-정공 페어에 충격-이온화를 위한 충분한 그것의 운동 에너지가 축적될 때까지 전기장에 의해 가속된다. 그런 다음 각 전자는 또 다른 전자-정공 페어를 생성할 때까지 가속한다. 충격-이온화-생성된 전공들은 그들이 원자가 전자대 초격자를 통해 호핑하는 경우 운동 에너지를 잃기 때문에 충격 이온화 할 수 없다. 따라서 α_ 및 β_에 엄청난 비대칭이 생성된다.
단측(one-sided) 밴드 정렬(alignment)이 비정상적으로 보일 수도 있지만, III-V (여기서 III 및 V는 각각 주기율표의 IIIB 및 VB 열(column)들을 나타냄) 반도체 기재들 InP 또는 GaSb에 격자-매칭된 여러 페어들이 있다. 유망한(promising) 페어는 InP 및
Figure pct00034
이며, 합금들 둘 다 관례대로(routinely) 성장한다(grow). 합금은 III족(group) 구성요소들에 대한 17%의 Ga, 30%의 Al, 53%의 In 및 전체적으로 V족 구성요소에 대한 As로 구성된다. 도 1은 정공들의 동시 배가 없이 충격 이온화에 의한 전자들의 배가를 위해 InP-InAlGaAs 배가 레이어 주변에 구축된(built) APD(100)를 나타낸다. InGaAs 흡수 레이어에서 높은 양자 효율로 광 생성된 전자들은 배가 레이어에 주입된다. 이 전자들은 배가 영역을 통해 가로지르면서 충격 이온화 한다. 2차 전자들은 충격 이온화 할 수 있지만 2차 정공들은 그들이 하나의 양자 웰에서 다음 양자 웰로 호핑하면서 운동 에너지를 잃기 때문에 충돌 이온화 할 수 없다. 정공들의 동시 배가 없이 충격 이온화에 의한 전자들의 배가는 낮은 과잉 잡음으로 원래의 광전자 각각의 기하 급수적인 증가를 초래한다.
밴드 오프셋이 전체적으로 원자가 전자대 또는 전도대에 있는 매칭되는 반도체 페어들에 대해 고된 체계적인 연구(arduous systematic search)가 수행된다(conduct). 이 반도체 장치에 대한 제약(constraint)은 최첨단 성능(state-of-the-art performance)을 가진 디바이스의 모든 반도체 레이어들이 기재의 그것과 동일한 차원(dimension)들 및 동일한 타입의 결정 구조를 가질 필요가 있다는 것일 수 있다. 이러한 제약을 격자-매칭(lattice-matching)이라고 한다. 격자-매칭이 없으면 레이어들 간의 인터페이스(interface)에서 발생하는(originating) 결정 결함들로 인해 성능이 저하된다(degrade). 따라서 적절한 페어들에 대한 우리의 연구는 관심있는 기재 각각에 대해 개별적으로 수행될 필요가 있었다. 근적외선(near infrared) 및 단파 적외선(약 0.8 - 3 μm 파장)에서 선형 모드 APD의 경우, 가장 흥미로운 기재는 InP 및 GaSb이다.
이러한 2개의 기재들(InP 및 GaSb)에 대해 우리는 현재 에피텍셜 성장(epitaxial growth) 기술들이 증가할 수 있는 모든 격자-매칭된 합금들에 대해 원자가 전자대 에너지 및 전도대 에너지를 추산했다. 동일한 전도대 에너지 또는 원자가 전자대 에너지를 가진 페어들에 대해, 우리는 화학량론(stoichiometry)을 제어하기 어려울 것이기 때문에 4개 이상의(more than) 원소(element)들로 구성된 합금을 가지는 것들, 간접 밴드갭을 가지는 합금을 가진 것들 및 페이즈(phase) 분리되는 것으로 알려진 합금을 가진 것들로부터 피하는 경향이 있다.
이 연구는
Figure pct00035
의 범위(range)에 걸쳐 합금의 조성물을 특성화하는 파라미터
Figure pct00036
에 의존하는 합금
Figure pct00037
은
Figure pct00038
의 범위에 걸쳐 제 2의 합금
Figure pct00039
과 동일한 전도대 에너지 또는 원자가 전도대 에너지를 가질 경우들을 산출한다(yield). 우리는 동일한 전도 또는 원자가 전자대(conduction or valence band) 조건이
Figure pct00040
범위(
Figure pct00041
의 그것과 동기화 됨)에서 충족된다는 것을 발견했다. 이러한 범위 내에서, 동일하지 않은 밴드의 밴드 오프셋이 거기서 최대화되기 때문에 그 범위의 엔드포인드(endpoint)들이 가장 흥미롭다.
특정 합금 페어들이 아래에 주어진다. 전도 또는 원자가 전자대 에너지가 범위에 걸쳐 동일할 수 있는 경우들에서, 우리는 해당 범위(that range)에 대해 동일하지 않은 밴드에 대해 가장 큰 밴드 오프셋을 가진 페어들을 제공한다.
우리는 올바른 특성들을 가지는 것과 페어의 에피택셜 성장을 수행하는 데 실용적이라는 것 둘 다에 관하여 선형 모드 APD 설계에 대해 유용한 반도체 페어들을 발견했다.
InP 기재
초격자 구조는 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 격자 매칭된 페어들은 또한 InP 기재에 매칭되고, 그리고 격자 매칭된 페어들은 다음을 포함하는 그룹에서 선택된다:
정공이 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00042
의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들;
정공이 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00043
의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들;
정공이 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00044
의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들;
정공이 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00045
의 제 2 반도체 합금 및
Figure pct00046
의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들;
정공이 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00047
의 제 2 반도체 합금 및
Figure pct00048
의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들; 또는
전자가 제 1 캐리어인, 전도대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00049
의 제 2 반도체 합금 및
Figure pct00050
의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들.
GaSb 기재
초격자 구조는 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 격자 매칭된 페어들은 또한 GaSb 기재에 매칭되고, 그리고 격자 매칭된 페어들은 다음으로 구성된 그룹에서 선택된다:
정공이 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00051
의 제 2 반도체 합금 및 GaSb의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들;
전자가 제 1 캐리어인, 전도대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00052
의 제 2 반도체 합금 및
Figure pct00053
의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들;
전자가 제 1 캐리어인, 전도대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00054
의 제 2 반도체 합금 및
Figure pct00055
의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들; 또는
전자가 제 1 캐리어인, 전도대에 세팅된 초격자를 가지는
Figure pct00056
의 제 2 반도체 합금 및
Figure pct00057
의 제 1 반도체 합금을 포함하는 초격자 구조의 2개의 반도체들.
이러한 조성물들은 합금들의 특성들이 많은 연구소(laboratory)들에 의해 다양한 불확실성(uncertainties)으로 이루어진 측정(measurement)들을 기반으로 하기 때문에 근사치이다.
인터페이스에서 2개의 합금들의 의도하지 않은 혼합(intermixing) 때문에 성장하기 어려울 수 있음을 인지하여, 우리는 디바이스의 물리적 원리에 역으로(adversely) 영향을 주지 않으면서 구조에 대한 제약을 완화(relax)할 방법들을 고려한다.
우리가 사용하는 원리는 밴드들 중 하나에서 오프셋이 완전히 제거될 필요가 없다는 것이다. 오프셋은 오직 설계 레이어 두께에 대해 해당 밴드의 연속체로부터 떨어진 kBT 미만의 제한 상태(confined state)들이 없을 정도로 충분히 작아야 하며, 여기서 kB는 볼츠만 상수이고, T는 의도된 동작 온도이다. 원자가 전자대의 경우, 헤비(heavy) 정공 제한 상태들의 제거가 자동적으로 라이트(light) 정공 제한 상태들을 제거하기 때문에 오직 헤비 정공 상태들을 고려하면 충분하다.
1. 웰 및 배리어 사이에 스페이서 레이어(spacer layer)를 포함하는 것
명확성을 위해 우리는
Figure pct00058
배리어들 및
Figure pct00059
웰들로 구성된 예시 합금 레이어들을 예를 들어 설명했다. 러프 표면 형태(Rough surface morphology) 및 낮은 광루미네선스(photoluminescence)는 InGaAsP-InAlAs 초격자의 인터페이스들에서 AIP의 의도하지 않은 형성의 결과일 수도 있다. 웰과 배리어 사이에 삽입된 InGaAs(P)(웰 레이어에서 54% 미만의 P를 함유(contain))의 격자-매칭된 스페이서 레이어는 Al-함유 레이어가 웰보다 P 함량(content)이 더 낮은 P-함유 레이어에 인접하게 함으로써, AIP 형성을 감소시킬 것이다. 스페이서는 그것의 원자가 전자대 오프셋이 충분히 작고, 임의의(any) 제한된 정공에 비해 그것이 충분히 얇은 경우 원자가 전자대에 거의 영향을 주지 않을 것이다.
Figure pct00060
스페이서는 분명히 AIP 형성을 방지하는데 가장 좋은 스페이서이지만, 원자가 전자대를 형성하는 것에 관해서는 최악이다.
성장은 초격자에 대한 방향을 정의하기 때문에, InAlAs 배리어 레이어의 성장 직후에(immediately after) 스페이서를 배치하는 것(placing)은 InGaAsP 웰 레이어 직후에 그것을 배치하는 것과 동일하지 않다. 3.5nm InGaAsP 웰들과 1.5nm InAlAs 배리어들의 베이스라인(baseline) 초격자부터 시작하여, 우리는 3개의 수정된(modified) 초격자 주기들((a) InGaAs(P)-InGaAsP-InAlAs, (b) InGaAsP-InGaAs(P)-InAlAs 및 (c) InGaAs(P)-InGaAsP-InGaAs(P)-InAlAs)을 모델링(model) 했다(나열된 마지막 레이어가 먼저 성장함). 우리는 InAlAs 배리어 레이어를 원래(original) 두께 1.5 nm에서 일정하게 유지하고 그리고 다른 레이어들 두께의 합을 원래 웰 두께 3.5 nm에서 유지했다. Case들 (a) 및 (b)에 대해 스페이서는 1.5nm 두께이고, 그리고 Case (c)에 대해 스페이서 각각은 0.5nm 두께이다. InGaAs(P) 스페이서 레이어는 0%, 13%, 27% 또는 40% P 함량에 대해 모델링 되었으며 레이어의 다른 구성 요소들은 InP와 격자-매칭을 유지하도록 조정되었다. 모델링은 Case (a)에 대해 스페이서 레이어가 정공들의 양자 구속(quantum confinement)을 방지하기 위해 최소 13% P, Case (b)에 대해 최소 27% P, 그리고 Case (c)의 경우 최소 40% P가 필요로 함을 나타낸다. AlP 형성을 방지하기 위해 40%보다 많은 P를 가진 스페이서 레이어의 효과와 0.5nm 레이어들을 성장시킬 수 있는 능력은 의심스러우므로(questionable), Case들 (a) 및 (b)는 인터페이스들에서 혼합을 감소시키는 유망한 후보들이 될 것이다. 이 예에 대해서 인터페이스들의 절반만 스페이서를 가지기 때문에, InGaAsP 상의 InAlAs 또는 InAlAs 인터페이스 상의 InGaAsP에서 주로 혼합이 발생하는 경우 가장 좋을 것이다(work best).
2. 모든 비소화물(arsenide) 초격자 구조
초격자의 성장은 한 레이어에서 그 다음으로 이동하는 것에 있어서 변경해야하는 원자 분율(atomic fraction)들이 많을수록 더 어렵다. 웰 및 배리어가 둘 다 순수(pure)한 인화물(phosphides), 순수한 비소화물, 순수한 안티몬화물(antimonides)인 초격자는 위에 나열된 10가지 중 임의의 것보다 더 쉽게 성장할 것이다.
이것의 예로서, 우리는 우물들이 밴드들 중 하나에서 양자 상태들을 로컬화시키지만, 다른 것들에는 아닌 완화된 특성을 가진 모든 비소화물 격자-매칭된 초격자를 성장시킬 가능성을 고려한다. InGaAlAs 웰들 및 InAlAs 배리어들은 전자와 헤비 정공들 둘 다 성장하기 쉬운 레이어 두께에 대해 제한되었기 때문에 유망해 보이지 않았다. 그러나 주가 각각에 대해 결합된 웰을 가지는 초격자는 전자 및 헤비 정공 구속을 분리하는(decouple) 방법(way)인 것처럼 보였다: 전기장은 전자를 오른쪽 결합된 웰으로 밀면서 그것은 헤비 정공을 왼쪽 결합된 웰로 밀어낸다. 결합된 웰들을 가지고, 오른쪽 웰 파라미터가 전자에 더 큰 영향을 미치고 왼쪽 웰 파라미터가 헤비 정공에 더 큰 영향을 미칠 것이다. 1.5 nm Q-1.5 nm InAlAs-3.0 nm Q-1.5 nm InAlAs로 구성된 주기를 가지는 초격자(여기서 Q =
Figure pct00061
및 InAlAs =
Figure pct00062
)는 제한된 헤비 정공 상태들이 없고, 그리고 웰-투-웰(well-to-well) 파동 함수 오버랩이 양호한 제한된 전자 상태(electronic state)들을 가진다.
전자들 또는 정공들이 억제되는 초격자는 위에 나열된 페어들에서 선택된 합금 'A' 및 합금 'B'의 교대하는 레이어(alternating layer)들로 구성된다. 모든 'A' 레이어들은 동일한 두께를 가지고, 그리고 모든 'B' 레이어들은 동일한 두께를 가지며, 이는 'A' 레이어 두께와 같거나 같지 않을 수도 있다.
도 1에 대한 대안적인 설계로서, 도 5, 6b 및 7은 정공 배가가 아닌 전자 배가가 억제되는 매칭된 초격자 설계를 사용하는 선형 모드 APD(500)를 나타낸다. 전자는 배가를 시작하기에 충분한 운동 에너지를 축적할 수 없다. 정공만이 이득을 시작하고 잠재적인 지수 배가를 일으킬 수 있다. APD들의 과잉 잡음은 전자와 정공의 동시 배가로 인해 발생한다. 그러나 전자들 및 정공들 각각(either)의 배가를 억제하는 것은 이득을 제공하면서 잡음을 최소화한다. 매칭되는 초격자는 30-50 ℃의 실온과 같은 비극저온들에서, 그리고 이 범위보다 높은 온도들에서도 캐리어의 배가를 달성한다. 초격자는 단독으로 배리어 반도체 또는 웰 반도체의 웰의 두꺼운 레이어(thick layer)에 충격 이온화를 유지할 전기장을 가지도록 그것이 바이어스 되는 경우, 그것의 웰 각각에서 적어도 하나의 양자 상태를 가지도록 설계된다. 원자가 전자대 초격자의 경우, 적어도 라이트 정공에 대해 하나의 양자 상태가 있어야 하고 그리고 헤비 정공에 대해 하나의 양자 상태가 있어야 한다.
다음으로, 제 1 캐리어에 대해서만 충격 이온화를 억제하기 위해 본 설계에서는 억제된 캐리어에 대응하는 밴드에서 대부분 밴드 오프셋이 있는 반도체들의 페어들을 선택할 수 있다. 초격자 페어의 밴드 오프셋들은 억제된 캐리어에 대응하는 밴드에 완전히 있을 필요는 없다. 오프셋이 초격자의 웰 및 배리어 두께에서 양자 상태들을 서포트(support)하기에 충분하지 않은 한 반대 밴드에서 충분한 오프셋이 있을 수 있다. 이것은 초격자 구성물에 허용 오차(tolerance)를 제공합니다.
그래프 상으로(graphically) 도 5를 참조하면, 초격자가 Ec 전도대에 완전히 세팅되어 있는 경우(이에 따라, 전자들이 아니라 홀들이 배가함)에, Ev 원자가 전자대는 본질적으로 아래쪽으로(downwards) 기울어진(sloping) 직선(straight line)이다. 그러나, 재료들의 계수들은 재료들을 대부분 하나의 밴드(예를 들어, 전도대)에 배치하도록 매칭될 수 있지만, 잠재적으로(potentially) 그 하나의 밴드에 완전히 포함되지는 않는다. 시각적으로 그것은 다른 밴드를 의미할 것이며, 원자가 전자대는 실선이 아니라 웰을 형성하기 충분히 깊지 않은 작은 미세한 펄스(small little pulse)들이 가끔 있는 통상의 직선이다. 따라서, 초격자 페어의 밴드 오프셋이 억제된 캐리어에 대응하는 밴드 내에 대부분 세팅되는 경우, 다른 캐리어의 밴드는 오프셋이 초격자의 i) 웰 레이어, ii) 배리어 레이어, 또는 iii) 웰 레이어 또는 배리어 레이어의 두께에서 양자 상태들을 서포트하기에 충분하지 않은 한 충분한 오프셋을 가질 수 있다.
매칭된 초격자 구조를 가진 실온 선형 모드 APD의 추가적인 이점들
제안된 APD는 그것의 출력이 상용 전자 증폭기들에 결합되는 경우 단일-광자 감도로 광전류 파형의 캡처가 가능할 만큼 충분한 이득을 가진 저-잡음 광전류 증폭기로 동작 가능할 것이다. 이 디바이스는 파장들의 넓은 밴드에 걸쳐 높은 양자 효율로 단일 광자들을 검출하여 실온에서 궁극적인 디텍터 감도를 달성할 것이다.
제안된 디바이스는 단일 광자들을 검출하기 위해 Geiger 모드 동작이 필요로 하지 않는다. 그 결과를 설명하기 위해 SRI의 선형 모드 APD들의 어레이는 레이저(laser)의 단일 샷(single shot)으로부터 전체(full) 3-차원 포인트-클라우드(point-cloud) LIDAR 이미지를 획득할 수 있다. (도 8 및 9 참조) 대조적으로, Geiger 모드 APD들의 어레이는 N 범위 빈(bin)들 각각에 대해 레이저 샷이 필요로 하므로 획득 시간(acquisition time)과 레이저 에너지가 N-폴드(N-fold) 증가한다.
전자- 또는 정공-충격 이온화를 억제하기 위한 다양한 구현들
이루어질 필요가 있는 선택은 전자- 또는 정공-충격 이온화를 억제할지 여부이다(예를 들어, 전도대만의 초격자 및/또는 원자가 전자대만의 초격자). 이 선택에 영향을 주는 주요 요인은 충격 이온화가 Wannier-Stark 상태가 아닌 연속체 상태에서 억제된 캐리어를 생성할 가능성(likelihood)이다. 이를 추정하기 위해, 우리는 벌크 InP에서 충격 이온화의 운동학(kinematics)을 고려했다. 전자-개시 충격 이온화에 대해, 우리는 다음 반응(reaction)들에 대한 유효 질량 근사 하에서 에너지 보존(conservation of energy) 및 2-차원 운동량 보존(conservation of momentum) 방정식(equation)들을 풀었다(solve):
Figure pct00063
(I)
Figure pct00064
(II)
여기서, e는 전자, H는 헤비 정공이고, 그리고 h는 라이트 정공이며, 초기 전자는 운동 에너지 E를 가진다. 우리는 반응이 허용되는 E에 대한 임계값(threshold)을 계산했다. 헤비 정공을 생성하는(produce) 반응 I은 1.50 eV의 임계 에너지를 가지는 반면, 라이트 정공을 생성하는 반응 II는 1.99 eV의 임계 에너지를 가진다. 임계 에너지는 InP 밴드갭 에너지(1.34eV)의 최소값을 가지고, 그리고 최종 입자(particle)들 각각에 최종 운동량을 부여하는 데 필요한 양만큼 더 높으므로, 에너지 및 운동량이 보존된다. 초기 전자 에너지(initiating electron energy)가 1.50 eV 임계값 보다 높게 증가함에 따라 그것이 충격 이온화할 수 있는 속도는 최종 상태들의 밀도(density)가 증가함에 따라 증가한다. 반응 II 임계값에 도달할 가능성은 거의 없다. 반응 I을 가지고, 충격 이온화가 임계 에너지 근처에서 발생하는 경우, 운동학은 헤비 정공이 원자가 전자대 엣지(edge) 이하의 0.10 eV 에너지를 가지는 것을 좌우한다(dictate). 이것은 전자-개시 충격 이온화에 대해 우리가 사용하는 InP-InGaAlAs 페어의 웰(0.23 eV 딥(deep))에 헤비 정공을 배치한다.
정공-개시 충격 이온화에 대해 다름 반응들을 고려한다:
Figure pct00065
(III)
Figure pct00066
(IV)
Figure pct00067
(V)
Figure pct00068
(VI)
임계값은 반응 III에 대해 1.52eV이고, 그리고 반응 IV에 대해 2.06eV이다. 우리는 라이트 정공이 헤비 정공을 생성할 것으로 예상한다. 전자는 충격 이온화가 임계값 근처에서 발생하는 경우, 전도대 엣지 이상의 0.03eV 에너지를 가질 것이다. 헤비 정공-개시 충격 이온화에 대해 임계값은 반응 V에 대해 2.63eV이고, 그리고 반응 VI에 대해 6.07eV이다. 전자는 충격 이온화가 임계값 근처에서 발생하는 경우 전도대 엣지 이상의 0.04eV 에너지를 가진다. 두 경우 모두 정공-개시 충격 이온화에 사용하는 InAlAs-InGaAsP 페어의 경우 전자는 웰의 바닥(bottom) 근처(0.40 eV 깊이)에 있다.
정공-개시 충격 이온화 구조는 전자-개시 구조가 적절할 수도 있지만 초격자의 연속 상태들에 원하지 않는 캐리어 주입을 방지하는 데 훨씬 더 좋다.
이 분석은 두 구조들을 비교하면서 고려해야 할 또 다른 요소를 지적한다. 정공들이 충격 이온화를 시작하는 경우 헤비 정공을 생성하는 것에 대한 임계값이 더 낮다. APD의 원자가 전자대는 헤비 정공들로 채워진다. 전자-개시 충격 이온화에 대한 1.50 eV과 비교되는 헤비-정공-개시 충격 이온화에 대한 2.63 e의 임계값을 가지고, 정공-개시 구조에 대한 β는 전자-개시 구조에 대한 α보다 약 1.8 배 낮을 것이다. 따라서 동일한 전기장에서 동작하는 두 구조들에서 동일한 이득을 얻기 위해 정공-개시 구조에 1.8 배 더 두꺼운 배가 영역과 1.8 배 더 높은 전압이 필요하다.
본 설계는 전도대 초격자가 정공 아발란체 이득을 억제하는 것이 원자가 전자대 초격자보다 전자 아발란체 이득을 억제하는 것보다 더 좋다고 계산한다.
정공-개시 구조의 또 다른 장점은 광 흡수 레이어에서 초격자 배가 영역으로 정공들이 주입된다는 것이다. 아래로부터 정공들이 주입되어 낮은 암전류를 얻고, 그리고 APD들 및 p-i-n 포토다이오드의 표면 항복(surface breakdown)을 제거하는 데 일반적으로 사용되는 선택 p-도핑(p-doping)을 위해 아연 확산(zinc diffusion)으로 APD를 만들도록 허용할 수 있다.
어느 구조도 분명히 더 나은 것은 아니다. 선택은 의도된 애플리케이션의 세부 사항들에 따라 달라질 수 있다.
애플리케이션들
다양한 시스템들은 매칭된 초격자 구조를 갖는 복수의 선형 모드 아발란체 포토다이오드의 어레이를 사용할 수 있다. 선형 모드 어발란체 포토다이오드 각각은 증폭으로부터의 이득으로 인한 비극저온이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음 계수를 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득을 생성하도록 구성되어 전류를 출력하고, 그리고 광을 감지한다. 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어에 대해 더 낮은 수준으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서, 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어에 대한 충격 이온화를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조를 사용하여 광에서 하나 이상의 광자를 감지한다. 억제된 그것의 충격 이온화를 가지는 제 1 캐리어는 ⅰ)전자 또는 ⅱ)정공 중 어느 하나이고; 그리고 제 2 캐리어는 각각 전자 또는 정공이다. 파워 서플라이는 복수의 선형 모드 아발란체 포토다이오드들에 전원을 공급하기 위해 사용된다.
시스템들은 i) LIDAR 시스템, ii) 야간 투시경(night vision goggle) 또는 헤드셋(headset) 시스템, iii) 광학 통신(optical communication) 시스템, iv) 분광(spectroscopy) 시스템, v)퀀텀 키(Quantum key) 분배 시스템, vi) 높은 항복 전압 트랜지스터(high breakdown voltage transistor)들을 사용하는 시스템, vii) 저잡음 마이크로파(low-noise microwave) 생성 시스템 및 viii) 생체 의학 시스템을 포함할 수 있다.
매칭되는 초격자 구조를 가지는 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 증폭으로부터의 이득으로 인해 상온 또는 그 이상에 존재하는 열 잡음의 10% 미만의 과잉 잡음을 생성하면서, 10,000배 증폭 이상의 이득을 생성하기 위해, 증폭이 단지 ⅰ) 전도대 또는 ⅱ) 원자가 전자대에서 발생하도록 구성된다. 증폭의 10,000배의 이득을 가지는 매칭된 초격자 구조를 가진 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 선형 모드 아발란체 포토다이오드가 한 세트 주기의 시간 이후까지 또 다른 광자를 검출할 수 없는 경우에 단일 광자의 검출 이후에 데드 타임을 가지는 패널티없이 단일 광자를 검출할 수 있다.
여기에 설명된 선형 모드 APD로 인해 활성화되는 기능들의 예시는 다음과 같다:
도 8은 인-시튜(in-situ) 메모리(memory) 및 병렬 칼럼 리드아웃(parallel column readout)을 가지는 매칭된 초격자 구조를 가지는 선형 모드 APD 어레이의 다이어그램(800)의 실시예를 도시한다. 배열의 각 픽셀은 서로 다른 x-y 방향을 보고 z-방향을 획득한다. 어레이는 타임 빈(time bin) 각각의 인-시튜 저장(storage)을 위해 설계되었으며, 레이저 펄스들 사이의 타임 빈 각각을 순차적으로(sequentially) 리딩-아웃(reading-out)한다. 레이저 펄스들과 같은 광 펄스들은 각
Figure pct00069
픽셀에서 100 개의 타임 빈에 캡처될 수 있다. 타임 빈 각각에는 매칭되는 초격자 구조를 가진 선형 모드 APD를 포함하는 리드-아웃 회로가 있다. 도 9는 매칭된 초격자 구조를 갖는 선형 모드 APD를 가지는 예시적인 리드-아웃 회로 개략도의 다이어그램(900)의 실시예를 도시한다. 리드-아웃은 초당 100 프레임들로 발생할 수도 있다.
Figure pct00070
픽셀 구조를 가지는 리드-아웃 회로는 예를 들어 100 개의 타임 빈들을 저장할 수 있다.
매칭된 초격자 구조를 갖는 선형 모드 APD 어레이를 사용하는 시스템은 다음을 포함할 수도 있다.
Single shot light detection and ranging (LIDAR) - LIDAR에 대해, 씬(scene)은 레이저로부터 짧은 버스트(short burst)의 광에 의해 비춰지고(illuminate), 그리고 펄스의 반사들이 검출된다. 레이저 광의 방출과 반사의 검출 사이의 시간은 리플렉터(reflector)까지의 거리를 제공한다. SRI 선형 모드 APD에서 데드 타임이 없기 때문에 단일 APD를 가지고 반사광(reflected light) 파형을 지속적으로 수집 할 수 있다. 적절한 광학 장치(optic)들을 가지는 선형 모드 APD 어레이의 각 APD는 서로 다른 방향들에서 들어오는 광을 검출할 수 있다. 선형 모드 APD 어레이의 각 APD는 광학 장치들에 의해 결정된 고유한(unique) 방향에 위치된 오브젝트(object)들에서 반사된 광에 대한 전체 파형을 획득할 수 있다. 따라서 선형 모드 APD 어레이는 광학 장치들에 의해 결정된 시야각(field-of-view)에서 단일 레이저 샷(shot)의 모든 반사들을 수집할 수 있다. 수집된 데이터는 도착 시간이 z-방향을 제공하고 그리고 APD 각각이 x- 및 y-방향을 제공하는 씬의 3-차원 이미지를 나타낸다.
z-방향을 따라 데이터를 나타내는 파형은 타임 빈들로 진입될(break into) 수 있고, 그리고 타임 빈 각각에 통합된(integrated) APD 출력 전류는 리드아웃 회로의 별도 커패시터(capacitor)에 전하(charge)로 저장된다. 우리는
Figure pct00071
픽셀이 전류를 통합하고, 그리고 커패시터들의 전하를 리드 아웃하는 데 필요한 전자 장치들 외에도(in addition to) 100 개의 저장 커패시터들을 가질 수 있음을 확인했다.
Geiger 모드 APD들의 데드타임 때문에, 모든 반사들을 획득하기 위해 2가지 방법들이 사용된다. 첫째, 슈퍼픽셀(superpixel)을 형성하기 위해 병렬 연결된 Geiger 모드 APD 어레이가 데드 타임을 개선하는데(ameliorate) 사용될 수 있다. 슈퍼픽셀들의 큰 사이즈는 슈퍼픽셀들의 어레잉(arraying)을 선형 배열로 제한하여, 선형 어레이에 직교하는(orthogonal) 방향의 이미징(imaging)은 전체(full) 씬을 비추고 좁은(narrow) 시야각 APD 어레이를 회전하는 것에 의해, 또는 넓은(wide) 시야각 APD 어레이와 동일 선상(collinear)의 스트라이프(stripe)를 비추고 스트라이프를 움직이는 것에 의해 수행된다. 이것은 전체 3 차원 이미지를 얻기 위해 여러 번의 레이저 샷들이 필요로 한다.
두 번째 방법은 독립적인 Geiger 모드 APD들의 2-차원 어레이를 사용한다. APD 각각은 선형 모드 APD 어레이에서와 같이 다른 방향에서 반사된 광을 수집한다. Geiger 모드 APD들은 레이저 샷 이후에 미리 결정된 딜레이(delay) 및 미리 결정된 지속시간(duration)에 항복보다 높게 그들을 바이어스하여 모두 게이트 된다(gate). 어레이의 출력은 APD들이 게이트 된 경우의 시간 간격(interval) 동안 광자 도착의 x-y 이미지를 제공한다. 특정 APD로부터의 출력은 해당 간격 동안 하나 또는 여러 개의 광자들이 도착했던지 간에 동일하다. 게이트 지연을 변경하는 것에 의해 여러 번의 레이저 샷들로 전체 3 차원 이미지가 얻어질 수 있다.
단일 샷에서 3-차원 이미지를 획득하는 것의 장점은 (1)획득 시간이 더 빠르고, 그리고 (2)씬 내에서, 그리고 LIDAR 시스템과 씬 사이에서 둘 다 모션(motion)으로 인한 왜곡(distortion) 및 블러링(blurring)이 없다는 것입니다. 빠른 획득은 3 차원 비디오를 가능하게 한다. 모션에 대한 무감각성(insensitivity)은 더 선명한(sharp) 이미지들을 제공하고, 그리고 LIDAR 시스템을 위한 매우 안정적인 플랫폼에 대한 요구 사항(requirement)을 완화한다.
모호한 것(obscurant)들을 통한 이미징 - 원리는 단일 샷 LIDAR의 경우와 동일하다. 차이점은 포그(fog) 또는 스모크(smoke) 입자들의 물방울(water droplet)들과 같은 모호한 것들로 인한 반사들은 그 입자들이 무작위로 분포하기 때문에 무작위로 발생하고, 그리고 브라운 운동(Brownian motion), 침전(sedimentation) 또는 대류(convection)를 겪기(undergo) 때문에 시간이 지남에 따라 빠르게 변한다는 것이다. 관심있는 오브젝트들은 모호한 것들보다 훨씬 크기 때문에 그들은 더 느리게 움직이고 그들의 속도를 빠르게 변경할 수 없다. 따라서 동일한 포인트로부터 발생하거나 또는 연속되는 여러 3-차원 이미지들에 걸쳐 직선으로 놓인 일련(series)의 포인트들로부터 발생하는 반사들만 유지함으로써, 모호한 반사들의 대부분이 필터링될(filtered out) 수 있다.
낮은 광 레벨 이미징- 낮은 광 레벨 이미징에서, 디텍터로부터의 광전류를 전자 증폭기들의 노이즈 플로어(floor)보다 높게 높이는 것이 종종 바람직하다. 선형 모드 APD는 이를 수행하기 위해서 단일 광자들을 검출하기에 충분하지 않은 적당한(modest) 이득으로 동작할 수도 있다. 이를 수행하기 위한 다른 방법들은 집광(light collection) 조리개(aperture)를 늘리고, 그리고 통합 시간을 늘리는 것이다. 더 큰 조리개들은 더 큰 광학 구성요소들 및 더 벌크(bulkier)하고, 더 비싼 시스템들을 초래한다. 늘어난 통합 시간들은 이미저(imager)가 삼각대(tripod)와 같은 안정적인 기계적 서포트 상에 있어야 한다. 통합 시간보다 빠르게 변화하는 동적 씬에 대해서 통합이 사용될 수 없다.
낮은 광 레벨 이미징의 중요한 경우는 나이트 비전(night vision)이다. 햇빛이나 조명기(illuminator)가 없으면, 달빛(moonlight), 대기광(airglow) 및 별빛(starlight)이 유일한 광원(source)들이며, 여기서 대기광은 가시 파장으로 방출되나 대부분은 근거리 단파 적외선으로 방출되며, 이는 그 날 이른 햇빛 및 우주의 광선(cosmic ray)들에 의해 생성된 이온(ion)들의 재결합으로부터의 전리층(ionosphere)에서 발생한다. 이득 없는 이미징은 일반적인 휴대용(handheld) 카메라의 집광 광학 장치들로 표준 비디오 속도들로 사용 가능한 이미지를 얻기 위해 보름달의 빛이 필요로 한다.
Figure pct00072
에서
Figure pct00073
이상의 이득들을 가진 야간 투시경 고글들 및 이미지 강화기(intensifier)들은 조명(illumination) 광원이 구름들에 의해 산란되고 감쇠되는 별빛 및 대기광인 흐린(overcast) 달이 없는 밤들에서의 이미지에 사용될 수 있다. 과잉 잡음이 없는 선형 모드 APD에 의해 제공되는 이득은 야간 투시경 및 이미지 강화기의 이득과 유사하여, 그것은 흐린 달 없는 밤에서의 이미지가 예상된다. 중요한 차이점은 APD의 사이즈가 훨씬 작다는 것이다. 또 다른 중요한 차이점은 야간 투시경들의 출력은 별도의 카메라 없이는 이미지 처리(processing) 또는 파일 보관(archiving)을 위해 리드아웃 할 수 없는 인광 스크린(phosphorescent screen) 상의 이미지인 반면에, 선형 모드 APD들의 어레이로부터 만들어진 이미저의 출력은 디지털화(digitized) 될 것이다.
분광(Spectroscopy) 그리고 화학적 및 생물학적 에이전트(agent)들의 검출 - 분광은 씬이 회절 격자(diffraction grating)와 같은 분산 요소의 출력인 낮은 광 레벨 이미징과 동작 상으로(operationally) 동일하다. 선형 모드 APD들 어레이의 이득은 신호 광자 검출을 위한 충분한 이득에 적당한 이득을 제공하도록 조정될 수 있고, 넓은 동적 범위를 제공할 수 있다. 게다가, 어레이 내의 개별 APD들에 의해 보이는 파형은 단일 샷 LIDAR 애플리케이션과 마찬가지로 저장될 수 있다. 단일 샷 LIDAR와 유사하게, 이 능력을 사용하면 단일 이벤트에 의해 트리거되는(triggered) 전체적인 시간-분해 스펙트럼(time-resolved spectrum)을 획득할 수 있을 것이다.
단일 광자 검출 레벨에서 분광을 수행하는 능력은 집중도(concentration)들의 매우 낮은 레벨들에서 분자들을 검출하는 데 사용될 수 있다. 시간-분해 분광법은 분자의 환경에 대한 정보를 제공할 수 있는 분자 역학을 모니터링하는 능력을 추가한다. 특정 화학학적 및 생물학적 분자들의 미량(trace amount)들을 검출하는 기능은 이러한 분자들이 불법 약물(illicit drug)들, 화학적 또는 생물학적 전쟁(warfare) 에이전트들 또는 폭발물들이 될 수 있는 보안 영역들, 이러한 분자들이 제조 공정(manufacturing process)의 원치 않는 부산물 또는 불순물(impurity)일 수 있는 품질 관리, 그리고 이러한 분자들이 개발 중인 신약(new drug)이 될 수 있는 생물학적 연구에 유용하다(beneficial).
퀀텀 키 분포(Quantum key distribution) - 이를 위해서는 바람직하게는 실온 근처에서, 높은 양자 효율을 가진 단일 광자들의 검출을 필요로 한다. 실온, 현재 사용 가능한 단일 광자 검출 기술은 광전자증배관 및 Geiger 모드 APD들이다. 광전자증배관은 특히 텔레커뮤니케이션(telecommunication)들에 보편적으로 사용되는 파장들에서 매우 낮은 양자 효율들을 가진다. Geiger 모드 APD들은 효과적으로 데드 타임으로 인해 낮은 양자 효율을 가진다. 과잉 잡음이 없는 선형 모드 APD는 높은 양자 효율로 단일 광자를 검출할 수 있다.
광학 통신(optical communication)들-전부는 아니지만 대부분의 광 통신들 시스템들에서 지배적인(dominant) 잡음은 수신기 전자 장치들의 열 잡음이며, 광 통신들에서 기본 과제(challenge)는 수신기 잡음 등가 입력을 초과할 수 있을 정도로 충분한 파워를 가지고 광 신호가 수신기로 가도록 하는 것이다. 이를 보장하기(ensure) 위해서 일반적으로 사용되는 방법들은 레이저에 의해 생성되는 파워를 높이고, 손실(lose)들을 줄이기 위해 광 링크(link)의 길이를 줄이고 그리고 링크에 리피터(repeater)를 배치하는 것이다. 수신기에서 과잉 잡음이 없는 선형 모드 APD는 들어오는 광 신호를 더 저렴하고(less costly) 그리고 덜 방해하는 방식으로 증가될 것이다: 높은 파워 출력을 가지는 레이저들은 비싸고 증가된 레이저 파워는 광 섬유(optical fiber)나 대기 전송 매체(atmospheric transmission medium)에 비선형(nonlinear) 효과들과 같은 새로운 어려움들을 도입할(introduce) 수 있으며, 링크 길이는 종종 애플리케이션이나 지리(geography)에 의해 고정되고 그리고 줄일 수 없고, 그리고 리피터는 특히 해저와 같이 전력(electrical power)이 쉽게 접근할 수 없는 지역(region)들에서 매우 비싸다.
높은 항복 전압 트랜지스터들 - 트랜지스터의 출력 파워는 그것의 항복 전압에 의해 제한된다. 위에서 논의된 바와 같이, 단일 캐리어에 의해 시작된 중격 이온화(α= 0 또는 β= 0)는 기하 급수적으로 증가하지만, 임의로 커지지 않는 캐리어 밀도들을 초래한다(result in). 또한, 전도대 및 원자가 전자대 둘 다에서 로컬화된 Wannier-Stark 상태들 설계에 의해 달성되는 α = β= 0을 가지는 초격자에 대해 캐리어 밀도의 지수 성장이 억제될 것이다. 초격자를 통한 캐리어 전송은 호핑에 의한 것이다. 호핑 시간은 인접한 Wannier-Stark 상태들 사이의 파동 함수 오버랩을 증가시켜 포화 속도(saturation velocity)에 비교가능한(comparable) 유효 속도(effective velocity)를 캐리어들에 제공하기 위해 감소될 수 있다.
양극 트랜지스터(bipolar transistor)에서 가장 높은 전기장은 컬렉터-베이스 접합(collector-base junction) 근처의 컬렉터에서 발생한다. 양극 트랜지스터의 전류 흐름은 일반적으로 반도체의 표면에서 수직이기 때문에, 초격자 법선(normal)이 전류 흐름과 일치하는 α = β= 0 초격자를 가지는 양극 트랜지스터의 컬렉터를 교체하는 것이 간단할 것이다.
저잡음 마이크로파(low-noise microwave) 생성 - 충격 이온화는 리드 다이오드(Read diode) 및 충격 이온화 아발란체 전송 시간(impact ionization avalanche transit time, IMPATT) 다이오드를 포함하는 마이크로파 다이오드의 클래스(class)의 동작에 중요한 부분이다. 이득을 제공하는 충격 이온화 및 적절한 페이즈 변이(phase shift)를 제공하는 캐리어 전송 시간을 가지고, 그들은 마이크로파들을 생성하기 위해 네거티브 차동 저항(negative differential resistance) 요소로 사용된다. 이러한 제너레이터(generator)들은 비용이 저렴하고 높은 전력을 생산할 수 있지만 그들의 출력에 높은 페이즈 잡음은 제한된 그들의 애플리케이션을 가진다. 잡음의 원천(source)는 충격 이온화 메커니즘에서 과잉 잡음이다. 여기서 다이오드의 충격 이온화 층으로 설명하는 초격자를 가지고, 과잉 잡음이 억제되고, 그리고 이러한 다이오드들 주변에 구축된 마이크로파 제너레이터는 낮은 비용, 높은 파워 및 낮은 잡음이 될 수 있다.
명세서에서 "실시예", "예" 등의 언급은 설명 된 실시예 또는 예가 특정 특징(feature), 구조(structure) 또는 특성(characteristic)을 포함할 수도 있음을 나타내지만, 모든 실시예가 반드시 특정 특징, 구조 또는 특성을 포함하지 않을 수도 있다. 그러나 문구(phrase)들은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 추가적으로, 특정 특징, 구조 또는 특성이 실시예와 관련하여 설명되는 경우, 명시적으로 표시되거나 또는 표시되지 않은 다른 실시예들와 관련하여 그러한 특징, 구조 또는 특성에 영향을 미치는 것은 당업자의 지식 내에 있다고 믿어진다.
전술한 설계 및 그 실시예가 상당히 상세하게 제공되었지만, 여기에 제공된 설계 및 실시예에 대한 출원인(들)의 의도가 제한되는 것은 아니다. 추가적인 적용(adaptation)들 및/또는 수정들이 가능하며, 더 넓은 측면들에서 이러한 적용들 및/또는 수정(modification)들이 또한 포함됩니다. 따라서, 다음의 청구 범위들에 의해 제공되는 범위를 벗어나지 않는 전술한 설계 및 실시예로부터 벗어날 수도 있으며, 그 범위는 적절하게 해석되는 경우 오직 청구 범위에 의해서 제한된다.

Claims (20)

  1. 장치(apparatus)에 있어서, 상기 장치는,
    1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어-상기 제 2 캐리어는 전자 또는 정공임-에 대해 더 낮은 수준(degree)으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어(carrier)-상기 제 1 캐리어는 억제된 그것의 충격 이온화를 가지고, ⅰ)전자 또는 ⅱ)정공(hole) 중 어느 하나임-에 대한 충격 이온화(impact ionization)를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조(superlattice structure)를 사용하여 하나 이상의 광자들을 감지하기 위해, 증폭(amplification)으로부터의 상기 이득으로 인한 비극저온(non-cryogenic temperature)이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음(thermal noise)의 3배 미만의 과잉 잡음 계수(excess noise factor)를 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득(gain)을 생성하도록 구성되어 전류(electrical current)를 출력하고, 그리고 광자(photon)를 감지하기 위한 상기 선형 모드(linear mode) 아발란체 포토다이오드(avalanche photodiode);
    를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 매칭되는 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 ⅰ) 상기 제 1 캐리어가 정공인 경우, 원자가 전자대(valence band) 내에 초격자를 구현하고, 그리고 ⅱ) 상기 제 1 캐리어가 전자인 경우, 전도대(conduction band) 내에 초격자를 구현하여 상기 제 1 캐리어의 상기 충격 이온화를 억제하기 위해 초격자 배가(multiplication) 영역 내에 구성되는, 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 매칭된 초격자 구조를 형성하는 2개 이상의 재료들의 레이어(layer)들의 주기형 구조(periodic structure)는 단독으로 배리어 반도체(barrier semiconductor) 또는 웰 반도체(well semiconductor)의 레이어에 충격 이온화를 유지하는 전기 장(electric field)을 가지도록 상기 초격자가 전압 제어기(voltage controller)에 의해 바이어스 되는(biased) 경우에 그것의 웰들 각각에서 적어도 하나의 양자(quantum) 상태를 가지도록 설계되는, 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    증폭이 단지 ⅰ) 상기 전도대 또는 ⅱ) 상기 원자가 전자대 내에 발생하기 위해 상기 매칭되는 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 상기 증폭으로부터의 상기 이득으로 인해 존재하는 상기 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음을 생성하면서 10,000배 증폭 이상의 이득을 생성하도록 구성되고, 그리고
    10,000배 증폭의 상기 이득을 가지는 상기 매칭된 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드는 데드 타임(deadtime)을 가지는 패널티(penalty)없이 단일 광자(single photon)를 검출하는 것이 가능하여, 후속 광자(subsequent photon)의 검출이 상기 단일 광자의 상기 검출 후에 실질적으로 즉시 발생되도록 허용하는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 매칭되는 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드는,
    ⅰ) 상기 억제된 캐리어에 대응하는 밴드 내에 적어도 대부분 존재하고, 그리고 ⅱ) 충격 이온화가 억제되는 상기 억제된 캐리어에 대응하는 상기 밴드 내에 완전히 존재하도록 세팅되는 그들의 밴드 오프셋들을 가지는, 상기 초격자 구조를 형성하기 위해 반도체들의 격자 매칭된 페어(pair)들로부터 선택될 수 있는 기재(substrate) 상에 성장된 2개 이상의 재료들의 레이어들의 주기형 구조를 사용하여 상기 초격자 배가 영역에서 오직 상기 제 1 캐리어에 대한 상기 충격 이온화를 억제하도록 매칭되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 상기 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 상기 초격자 페어의 상기 밴드 오프셋이 상기 억제된 캐리어에 대응하는 상기 밴드 내에 대부분 세팅되는 경우, 상기 제 2 캐리어의 밴드는 상기 오프셋이 ⅰ) 웰 레이어, ⅱ) 배리어 레이어, 또는 ⅲ) 상기 초격자의 상기 웰 레이어 또는 배리어 레이어 중 하나의 두께에 양자 상태들을 오프셋이 서포트하기에 충분하지 않은 한 충분한 상기 오프셋을 가질 수 있고, 그리고
    상기 초격자 구조를 형성하는 반도체들의 상기 격자 매칭된 페어들은 제 1 반도체 재료 및 제 2 반도체 재료의 교번 레이어(alternating layer)들을 포함하는, 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 상기 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 상기 격자 매칭된 페어들은 또한 InP 기재에 매칭되고, 그리고 상기 격자 매칭된 페어들은,
    a. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00074
    의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    b. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00075
    의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    c. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00076
    의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    d. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00077
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00078
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    e. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00079
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00080
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들; 또는
    f. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00081
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00082
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    을 포함하는 그룹에서 선택되는, 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 상기 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 상기 격자 매칭된 페어들은 또한 GaSb 기재에 매칭되고, 그리고 상기 격자 매칭된 페어들은,
    a. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 상기 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00083
    의 제 2 반도체 합금 및 GaSb의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    b. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 상기 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00084
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00085
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    c. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 상기 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00086
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00087
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들; 또는
    d. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 상기 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00088
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00089
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    을 포함하는 그룹에서 선택되는, 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 매칭된 초격자 구조에 대한 재료들의 주기형 세트는 적용된 바이어스(applied bias) 하에서 인접한 웰들의 양자 상태들의 파동함수(wavefunction)들의 공간적 오버랩(spatial overlap)을 또한 가지도록 설계되어, 상기 제 1 캐리어는 제 1 웰에서 제 2 웰로 호핑(hopping)하여 상기 초격자를 가로지르고(traverse), 그리고 웰에서 웰로 호핑하는 경우마다 새로운 전자-홀 페어를 형성하기 위해 충격 이온화 하는데 필요한 운동 에너지 미만이 되도록(end up) 상기 적용된 바이어스에 의해 공급되는 에너지의 양을 실질적으로 손실(lose)하는, 장치.
  10. 광자들을 센싱하고 그리고 전류를 출력하는 방법으로서, 상기 방법은,
    1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어-상기 제 2 캐리어는 전자 또는 정공임-에 대해 더 낮은 수준으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어-상기 제 1 캐리어는 억제된 그것의 충격 이온화를 가지고, ⅰ)전자 또는 ⅱ)정공 중 어느 하나임-에 대한 충격 이온화를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조를 사용하여 하나 이상의 광자들을 감지하기 위해, 증폭으로부터의 상기 이득으로 인한 비극저온이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음 계수(factor)를 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득을 생성하도록 구성되어 전류를 출력하고, 그리고 광자를 감지하기 위한 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드를 구성하는 단계;
    를 포함하는,
    광자들을 센싱하고 그리고 전류를 출력하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 매칭되는 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드에 ⅰ) 상기 제 1 캐리어가 정공인 경우, 원자가 전자대에 초격자를 구현하고, 그리고 ⅱ) 상기 제 1 캐리어가 전자인 경우, 전도대에 초격자를 구현함으로써 상기 제 1 캐리어의 상기 충격 이온화를 억제하기 위해 초격자 배가 영역을 구성하는 단계;
    를 더 포함하는,
    광자들을 센싱하고 그리고 전류를 출력하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    단독으로 배리어 반도체 또는 웰 반도체의 레이어에 충격 이온화를 유지하는 전기 장을 가지도록 상기 초격자가 전압 제어기에 의해 바이어스 되는 경우에 그것의 웰들 각각에서 적어도 하나의 양자 상태를 가지도록 상기 매칭된 초격자 구조를 형성하는 2개 이상의 재료들의 레이어들의 주기형 구조를 구성하는 단계;
    를 더 포함하는,
    광자들을 센싱하고 그리고 전류를 출력하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    증폭으로부터의 이득으로 인해 상온(room temperature) 이상에 존재하는 상기 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음을 생성하면서 10,000배 증폭 이상의 상기 이득을 생성하기 위해, 증폭이 단지 ⅰ) 상기 전도대 또는 ⅱ) 상기 원자가 전자대에서 발생하도록 상기 매칭되는 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드를 구성하는 단계; 및
    데드 타임을 가지는 패널티 없이 단일 광자를 검출하는 것이 가능하여 후속 광자의 검출이 상기 단일 광자의 상기 검출 후에 실질적으로 즉시 발생되도록 허용하는 10,000배 증폭의 상기 이득을 가지는 상기 매칭된 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드를 구성하는 단계;
    를 더 포함하는,
    광자들을 센싱하고 그리고 전류를 출력하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    ⅰ) 적어도 대부분이 밴드 내에 존재하고, 그리고 ⅱ) 충격 이온화가 억제되는 상기 억제된 캐리어에 대응하는 상기 밴드 내에 완전히 존재하도록 세팅되기 위한 그들의 밴드 오프셋들로, 상기 초격자 구조를 형성하기 위해 반도체들의 격자 매칭된 페어들로부터 선택될 수 있는 기재 상에 성장된 2개 이상의 재료들의 레이어들의 주기형 구조를 사용하여 상기 초격자 배가 영역에서 오직 상기 제 1 캐리어에 대한 상기 충격 이온화를 억제하도록 상기 매칭되는 초격자 구조를 가지는 상기 선형 모드 아발란체 포토다이오드를 구성하는 단계;
    를 더 포함하고, 그리고
    상기 제 2 캐리어의 밴드는 실질적으로 밴드 오프셋이 없는,
    광자들을 센싱하고 그리고 전류를 출력하는 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 상기 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 상기 격자 매칭된 페어들은 또한 InP 기재에 매칭되고, 그리고 상기 격자 매칭된 페어들은,
    a. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00090
    의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    b. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00091
    의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    c. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00092
    의 제 2 반도체 합금 및 InP의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    d. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00093
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00094
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    e. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00095
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00096
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들; 또는
    f. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00097
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00098
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    을 포함하는 그룹에서 선택되는, 방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 초격자 구조는 상기 초격자 배가 영역 내에 반도체들의 격자 매칭된 페어들을 가지고, 상기 격자 매칭된 페어들은 또한 GaSb 기재에 매칭되고, 그리고 상기 격자 매칭된 페어들은,
    a. 상기 정공이 상기 제 1 캐리어인, 상기 원자가 전자대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00099
    의 제 2 반도체 합금 및 GaSb의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    b. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 상기 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00100
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00101
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    c. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 상기 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00102
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00103
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들; 또는
    d. 상기 전자가 상기 제 1 캐리어인, 상기 전도대에 세팅된 상기 초격자를 가지는
    Figure pct00104
    의 제 2 반도체 합금 및
    Figure pct00105
    의 제 1 반도체 합금을 포함하는 상기 초격자 구조의 2개의 반도체들;
    을 포함하는 그룹에서 선택되는, 방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 캐리어는 제 1 웰에서 제 2 웰로 호핑하여 상기 초격자를 가로지르고, 그리고 웰에서 웰로 호핑하는 경우마다 새로운 전자-홀 페어를 형성하기 위해 충격 이온화 하는데 필요한 운동 에너지 미만이 되도록 상기 적용된 바이어스에 의해 공급되는 에너지의 양을 실질적으로 손실하도록, 적용된 바이어스 하에서 인접한 웰들의 양자 상태들의 파동함수들의 공간적 오버랩을 또한 가지도록 상기 매칭된 초격자 구조에 대한 재료들의 주기형 세트를 구성하는 단계;
    를 더 포함하는, 방법.
  18. 시스템으로서, 상기 시스템은,
    복수의 선형 모드 아발란체 포토다이오드들의 어레이(array); 및
    상기 복수의 선형 모드 어발란체 포토다이오드들에 파워(power)를 공급하기 위한 파워 서플라이(power supply);
    를 포함하고, 그리고
    상기 복수의 선형 모드 아발란체 포토다이오드들의 어레이에서 포토다이오드들 각각은 매칭된 초격자 구조를 가지며, 상기 초격자 구조에서 제 1 선형 모드 어발란체 포토다이오드는 1) 충격 이온화를 증가시키고, 2) 충격 이온화를 실질적으로 유지시키고, 그리고 3) 충격 이온화를 제 2 캐리어-상기 제 2 캐리어는 전자 또는 정공임-에 대해 더 낮은 수준으로 억제하는 것 중 적어도 하나이면서 선형 모드 아발란체 포토다이오드에서 제 1 캐리어-상기 제 1 캐리어는 억제된 그것의 충격 이온화를 가지고, ⅰ)전자 또는 ⅱ)정공 중 어느 하나임-에 대한 충격 이온화를 억제하기 위해 매칭되는 초격자 구조를 사용하여 하나 이상의 광자들을 감지하기 위해, 증폭으로부터의 상기 이득으로 인한 비극저온이나 또는 그 이상에서 존재하는 열 잡음의 3배 미만의 과잉 잡음을 생성하면서 1000배 이상 증폭의 이득을 생성하도록 구성되어 광(light)을 감지하고 그리고 전류를 출력하도록 구성되는, 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 시스템은, i) LIDAR 시스템, ii) 야간 투시경(night vision goggle) 또는 헤드셋(headset) 시스템, iii) 광학 통신(optical communication) 시스템, iv) 분광(spectroscopy) 시스템, v)퀀텀 키(Quantum key) 분배 시스템, vi) 높은 항복 전압 트랜지스터(high breakdown voltage transistor)들을 사용하는 시스템, vii) 저잡음 마이크로파(low-noise microwave) 생성 시스템 및 viii) 생체 의학 시스템;
    으로 구성된 그룹에서 선택되는, 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 선형 모드 아발란체 포토다이오드들 각각은 매칭된 초격자 구조를 가지고,
    상기 매칭된 초격자 구조는,
    충격 이온화가 억제되는 상기 억제된 캐리어에 대응하는 밴드 내에 완전히 존재하도록 세팅되는 그들의 밴드 오프셋을 가지는, 상기 초격자 구조를 형성하기 위해 반도체들의 격자 매칭된 페어(pair)들로부터 선택될 수 있는 기재(substrate) 상에 성장된 2개 이상의 재료들의 레이어들의 주기형 구조를 사용하여 상기 초격자 배가 영역에서 오직 상기 제 1 캐리어에 대한 상기 충격 이온화를 억제하기 위해 매칭되는, 시스템.
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