El principio y la situación actual defotodetector de avalancha (fotodetector APDSegunda parte
2.2 Estructura del chip APD
Una estructura de chip adecuada es la garantía fundamental de dispositivos de alto rendimiento. El diseño estructural de un fotodiodo de avalancha (APD) considera principalmente la constante de tiempo RC, la captura de huecos en la heterounión, el tiempo de tránsito de 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. Las regiones P y N están fuertemente dopadas, y se introduce una región doblemente repelente de tipo N o P en la región P o N adyacente para generar pares electrón-hueco secundarios, logrando así la amplificación de la fotocorriente primaria. En los materiales de la serie InP, dado que el coeficiente de ionización por impacto de huecos es mayor que el de electrones, la región de ganancia del dopaje de tipo N se ubica generalmente en la región P. Idealmente, solo se inyectan huecos en la región de ganancia, por lo que esta estructura se denomina estructura de inyección de huecos.
(2) Se distinguen la absorción y la ganancia.
Debido a las características de banda prohibida ancha del InP (1,35 eV para el InP y 0,75 eV para el InGaAs), el InP se utiliza habitualmente como material de la zona de ganancia y el InGaAs como material de la zona de absorción.
(3) Se proponen respectivamente las estructuras de absorción, gradiente y ganancia (SAGM).
Actualmente, la mayoría de los fotodiodos de avalancha (APD) comerciales utilizan material InP/InGaAs. El InGaAs actúa como capa de absorción, mientras que el InP, bajo un campo eléctrico elevado (>5x10⁵ V/cm) sin sufrir ruptura dieléctrica, puede utilizarse como material de la zona de ganancia. El diseño de este APD se basa en la formación de un proceso de avalancha en el InP de tipo N mediante la colisión de huecos. Debido a la gran diferencia en la banda prohibida entre el InP y el InGaAs, la diferencia de nivel de energía de aproximadamente 0,4 eV en la banda de valencia provoca que los huecos generados en la capa de absorción de InGaAs se vean obstaculizados en el borde de la heterounión antes de alcanzar la capa multiplicadora de InP, reduciendo considerablemente su velocidad. Esto se traduce en un tiempo de respuesta prolongado y un ancho de banda estrecho para este APD. Este problema puede solucionarse añadiendo una capa de transición de InGaAsP entre los dos materiales.
(4) Se proponen respectivamente las estructuras de absorción, gradiente, carga y ganancia (SAGCM).
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 enormemente la velocidad y la capacidad de respuesta del mismo.
(5) Estructura SAGCM mejorada por resonador (RCE)
En el diseño óptimo de detectores tradicionales, debemos considerar que el grosor de la capa de absorción es un factor contradictorio para la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica. Un grosor reducido de la capa absorbente disminuye el tiempo de tránsito de los portadores, lo que permite obtener un mayor ancho de banda. Sin embargo, para lograr una mayor eficiencia cuántica, la capa de absorción debe tener un grosor suficiente. Una solución a este problema es la estructura de cavidad resonante (RCE), es decir, el diseño de un reflector de Bragg distribuido (DBR) en la parte inferior y superior del dispositivo. El espejo DBR está compuesto por dos materiales, uno de bajo índice de refracción y otro de alto índice de refracción, que crecen alternativamente. El grosor de cada capa corresponde a 1/4 de la longitud de onda de la luz incidente en el semiconductor. La estructura resonante del detector permite cumplir con los requisitos de velocidad, reducir considerablemente el grosor de la capa de absorción y aumentar la eficiencia cuántica de los electrones tras varias reflexiones.
(6) Estructura de guía de ondas acoplada por el borde (WG-APD)
Otra solución para resolver la contradicción entre los diferentes efectos del grosor de la capa de absorción en la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica consiste en introducir una estructura de guía de onda acoplada lateralmente. Esta estructura permite la entrada de luz lateralmente, y debido a la gran longitud de la capa de absorción, se obtiene fácilmente una alta eficiencia cuántica. Al mismo tiempo, la capa de absorción puede ser muy delgada, reduciendo el tiempo de tránsito de los portadores. Por lo tanto, esta estructura resuelve la dependencia del ancho de banda y la eficiencia con respecto al grosor de la capa de absorción, y se espera que logre fotodiodos de avalancha (APD) de alta velocidad y alta eficiencia cuántica. El proceso de fabricación del APD con guía de onda (WG-APD) es más sencillo que el del APD con acoplamiento de borde resonante (RCE), ya que elimina el complejo proceso de preparación del espejo DBR. Por consiguiente, resulta más viable en la práctica y adecuado para conexiones ópticas planas comunes.
3. Conclusión
El desarrollo de las avalanchasfotodetectorSe revisan los materiales y dispositivos. Las tasas de ionización por colisión de electrones y huecos de los materiales InP son similares a las de InAlAs, lo que conlleva un proceso doble para los dos simbiontes portadores, aumentando así el tiempo de formación de la avalancha y, por consiguiente, el ruido. En comparación con los materiales InAlAs puros, las estructuras de pozos cuánticos InGaAs(P)/InAlAs e In(Al)GaAs/InAlAs presentan una mayor relación de coeficientes de ionización por colisión, lo que permite una mejora significativa en el rendimiento de ruido. En cuanto a la estructura, se han desarrollado la estructura SAGCM con resonador mejorado (RCE) y la estructura de guía de onda acoplada por borde (WG-APD) para resolver las contradicciones derivadas 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 seguir investigando la aplicación práctica completa de estas dos estructuras.
Fecha de publicación: 14 de noviembre de 2023