El principio y la situación actual defotodetector de avalanchas (fotodetector APD) Segunda parte
2.2 Estructura del chip APD
Una estructura de chip razonable es la garantía básica de los dispositivos de alto rendimiento. El diseño estructural de APD considera principalmente la constante de tiempo RC, la captura de huecos en la heterounión, el tiempo de tránsito del portador 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, las regiones P y N están fuertemente dopadas, y la región doblemente repelente de tipo N o tipo P se introduce en la región P o N adyacente para generar electrones secundarios y huecos. pares, para realizar la amplificación de la fotocorriente primaria. Para los materiales de la serie InP, debido a que el coeficiente de ionización por impacto de huecos es mayor que el coeficiente de ionización por impacto de electrones, la región de ganancia del dopaje de tipo N generalmente se coloca en la región P. En una situación ideal, sólo se inyectan agujeros en la región de ganancia, por lo que esta estructura se denomina estructura con inyección de agujeros.
(2) Se distinguen la absorción y la ganancia.
Debido a las características de banda prohibida ancha de InP (InP es 1,35 eV e InGaAs es 0,75 eV), InP se utiliza generalmente como material de la zona de ganancia e InGaAs como material de la 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 utilizan material InP/InGaAs, InGaAs como capa de absorción, InP bajo un campo eléctrico elevado (>5x105V/cm) sin descomposición, se puede utilizar como material de zona de ganancia. Para este material, el diseño de este APD es que el proceso de avalancha se forma en el InP tipo N por la colisión de agujeros. Teniendo en cuenta la gran diferencia en la banda prohibida entre InP e InGaAs, la diferencia de nivel de energía de aproximadamente 0,4 eV en la banda de valencia hace que los agujeros generados en la capa de absorción de InGaAs se obstruyan en el borde de la heterounión antes de alcanzar la capa multiplicadora de InP y la velocidad es muy grande. reducido, lo que resulta en un tiempo de respuesta prolongado y un ancho de banda estrecho de este APD. 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, se introduce la capa de carga en el diseño del dispositivo, lo que mejora en gran medida la velocidad y la capacidad de respuesta del dispositivo.
(5) Estructura SAGCM mejorada con resonador (RCE)
En el diseño óptimo anterior de los detectores tradicionales, debemos afrontar el hecho de que el espesor de la capa de absorción es un factor contradictorio para la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica. El fino espesor 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 espesor suficiente. La solución a este problema puede ser la estructura de cavidad resonante (RCE), es decir, el reflector de Bragg distribuido (DBR) está diseñado en la parte inferior y superior del dispositivo. El espejo DBR consta de dos tipos de materiales con un índice de refracción bajo y un índice de refracción alto en su estructura, y los dos crecen alternativamente, y el espesor de cada capa alcanza la longitud de onda de la luz incidente 1/4 en el semiconductor. La estructura resonadora del detector puede cumplir los requisitos de velocidad, el espesor de la capa de absorción puede hacerse muy delgado y la eficiencia cuántica del electrón aumenta después de varias reflexiones.
(6) Estructura de guía de ondas de borde acoplado (WG-APD)
Otra solución para resolver la contradicción de los diferentes efectos del espesor de la capa de absorción sobre la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica es introducir una estructura de guía de ondas acoplada por bordes. Esta estructura ingresa la luz desde un lado, debido a que la capa de absorción es muy larga, es fácil obtener una alta eficiencia cuántica y, al mismo tiempo, la capa de absorción se puede hacer muy delgada, lo que reduce el tiempo de tránsito del portador. Por lo tanto, esta estructura resuelve la diferente dependencia del ancho de banda y la eficiencia del espesor de la capa de absorción, y se espera que logre una APD de alta velocidad y alta eficiencia cuántica. El proceso de WG-APD es más simple que el de RCE APD, lo que elimina el complicado proceso de preparación del espejo DBR. Por lo tanto, es más factible en el campo práctico y adecuado para la conexión óptica en el plano común.
3. Conclusión
El desarrollo de la avalancha.fotodetectorSe revisan los materiales y dispositivos. Las tasas de ionización por colisión de electrones y huecos de los materiales de InP son cercanas a las de InAlAs, lo que conduce al doble proceso de los dos simbiontes portadores, lo que prolonga el tiempo de formación de la avalancha y aumenta el ruido. En comparación con los materiales puros de InAlAs, las estructuras de pozos cuánticos de InGaAs (P)/InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs tienen una mayor proporción de coeficientes de ionización de colisión, por lo que el rendimiento del ruido se puede cambiar considerablemente. En términos de estructura, se desarrollan una estructura SAGCM mejorada con resonador (RCE) y una estructura de guía de ondas acoplada en bordes (WG-APD) para resolver las contradicciones de los diferentes efectos del espesor de la capa de absorción en la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica. Debido a la complejidad del proceso, es necesario explorar más a fondo la aplicación práctica completa de estas dos estructuras.
Hora de publicación: 14-nov-2023