El principio y la situación actual defotodetector de avalancha (Fotodetector APD) Parte dos
2.2 Estructura de chip APD
La estructura de chips razonable es la garantía básica de dispositivos de alto rendimiento. El diseño estructural de APD considera principalmente la constante de tiempo RC, la captura de agujeros en la heterounión, el tiempo de tránsito de los portadores a través de la región de agotamiento, etc. El desarrollo de su estructura se resume a continuación:
(1) Estructura básica
La estructura APD más simple se basa en el fotodiodo PIN, la región P y la región N están fuertemente dopadas, y la región de tipo N de tipo N o de tipo P doblemente repelente se introduce en la región P adyacente o la región N para generar electrones y pares de agujeros secundarios, para realizar la amplificación de la fotocurrente primaria. Para los materiales de la serie INP, debido a que el coeficiente de ionización con impacto del agujero es mayor que el coeficiente de ionización de impacto electrónico, la región de ganancia del dopaje de tipo N generalmente se coloca en la región P. En una situación ideal, solo se inyectan agujeros en la región de ganancia, por lo que esta estructura se llama estructura inyectada por agujeros.
(2) se distinguen la absorción y ganancia
Debido a las características de la brecha de banda amplia de INP (INP es 1.35EV e INGAAS es 0.75EV), el INP generalmente se usa como material de zona de ganancia e Ingaas como material de zona de absorción.
(3) Las estructuras de absorción, gradiente y ganancia (SAGM) se proponen respectivamente
En la actualidad, la mayoría de los dispositivos APD comerciales usan material INP/Ingaas, Ingaas como la capa de absorción, INP en campo eléctrico alto (> 5x105v/cm) sin descomposición, se puede usar como material de zona de ganancia. Para este material, el diseño de este APD es que el proceso de avalancha se forma en el I INP de tipo N por la colisión de agujeros. Teniendo en cuenta la gran diferencia en la brecha de la banda entre INP e INGAAS, la diferencia de nivel de energía de aproximadamente 0.4EV en la banda de valencia hace que los agujeros generados en la capa de absorción de Ingaas obstruyen en el borde de la heterounión antes de alcanzar la capa multiplicadora de INP y la velocidad se reduce en gran medida, lo que resulta en un tiempo de respuesta largo y un altura de banda estrecha de este ATAT. Este problema se puede resolver agregando una capa de transición de Ingaasp entre los dos materiales.
(4) Las estructuras de absorción, gradiente, carga y ganancia (SAGCM) se proponen respectivamente
Para ajustar aún más la distribución del campo eléctrico de la capa de absorción y la capa de ganancia, la capa de carga se introduce en el diseño del dispositivo, lo que mejora en gran medida la velocidad y la capacidad de respuesta del dispositivo.
(5) Estructura de resonador mejorada (RCE) SAGCM
En el diseño óptimo anterior de los detectores tradicionales, debemos enfrentar el hecho de que el grosor de la capa de absorción es un factor contradictorio para la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica. El delgado grosor de la capa absorbente puede reducir el tiempo de tránsito del portador, por lo que se puede obtener un gran ancho de banda. Sin embargo, al mismo tiempo, para obtener una mayor eficiencia cuántica, la capa de absorción debe tener un grosor suficiente. La solución a este problema puede ser la estructura de la cavidad resonante (RCE), es decir, el reflector Bragg distribuido (DBR) está diseñado en la parte inferior y la parte superior del dispositivo. El espejo DBR consta de dos tipos de materiales con bajo índice de refracción y alto índice de refracción en estructura, y los dos crecen alternativamente, y el grosor de cada capa cumple con la longitud de onda de luz incidente 1/4 en el semiconductor. La estructura del resonador del detector puede cumplir con los requisitos de velocidad, el grosor de la capa de absorción se puede hacer muy delgada y la eficiencia cuántica del electrón se incrementa después de varias reflexiones.
(6) Estructura de guía de onda acoplada a borde (WG-APD)
Otra solución para resolver la contradicción de diferentes efectos del grosor de la capa de absorción en la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica es introducir la estructura de la guía de onda acoplada a los bordes. Esta estructura ingresa a la luz desde el lado, debido a que la capa de absorción es muy larga, es fácil obtener alta eficiencia cuántica y, al mismo tiempo, la capa de absorción se puede hacer muy delgada, reduciendo el tiempo de tránsito del portador. Por lo tanto, esta estructura resuelve la diferente dependencia del ancho de banda y la eficiencia en el grosor de la capa de absorción, y se espera que alcance la alta tasa y alta eficiencia cuántica APD. El proceso de WG-APD es más simple que el de RCE APD, que elimina el complicado proceso de preparación del espejo DBR. Por lo tanto, es más factible en el campo práctico y es adecuado para la conexión óptica del plano común.
3. Conclusión
El desarrollo de AvalanchefotodetectorSe revisa los materiales y dispositivos. Las tasas de ionización de colisión de electrones y agujeros de los materiales INP están cerca de las de inalas, lo que conduce al doble proceso de las dos simbiones portadoras, lo que hace que el tiempo de construcción de avalancha sea más largo y el ruido aumente. En comparación con los materiales de inalas puros, las estructuras de pozos cuánticos GaAs /Inalas de IngaaS (P) /in (Al) tienen una mayor relación de coeficientes de ionización de colisión, por lo que el rendimiento del ruido puede cambiarse considerablemente. En términos de estructura, se desarrollan la estructura SAGCM mejorada (RCE) y la estructura de la guía de onda acoplada a los bordes (WG-APD) para resolver las contradicciones de los diferentes efectos del grosor de la capa de absorción en la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica. Debido a la complejidad del proceso, la aplicación práctica completa de estas dos estructuras debe explorarse más a fondo.
Tiempo de publicación: noviembre-14-2023