El principio y la situación actual del fotodetector de avalanchas (fotodetector APD) Segunda parte

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 fundamental de dispositivos de alto rendimiento. El diseño estructural del APD considera principalmente la constante de tiempo RC, la captura de huecos en la heterojunción, 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 pares de electrones y huecos secundarios, lo que permite amplificar la fotocorriente primaria. En los materiales de la serie InP, dado 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 suele ubicarse 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 distingue entre absorción y ganancia.
Debido a las características de banda 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) Se proponen las estructuras de absorción, gradiente y ganancia (SAGM) 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 alto (>5x105V/cm) sin ruptura, puede usarse 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 de tipo N por la colisión de huecos. Considerando la gran diferencia en la brecha de banda entre InP e InGaAs, la diferencia de nivel de energía de aproximadamente 0,4 eV en la banda de valencia hace que los huecos generados en la capa de absorción de InGaAs se obstruyan en el borde de la heterojunción antes de llegar a la capa multiplicadora de InP y la velocidad se reduce considerablemente, lo que resulta en un tiempo de respuesta largo y un ancho de banda estrecho de este APD. Este problema se puede resolver añadiendo una capa de transición 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 en gran medida la velocidad y la capacidad de respuesta del dispositivo.

(5) Estructura SAGCM mejorada por resonador (RCE)
En el diseño óptimo de los detectores tradicionales descrito anteriormente, el espesor de la capa de absorción es un factor contradictorio para la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica. Un espesor reducido de la capa absorbente permite reducir el tiempo de tránsito del portador, lo que permite obtener un gran ancho de banda. Sin embargo, para lograr una mayor eficiencia cuántica, la capa de absorción debe tener un espesor suficiente. La solución a este problema reside en la estructura de cavidad resonante (RCE), es decir, el reflector Bragg distribuido (DBR) 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 uno alto, que crecen alternativamente, y el espesor de cada capa se ajusta a la longitud de onda de la luz incidente de 1/4 en el semiconductor. La estructura resonante del detector permite cumplir con los requisitos de velocidad, el espesor de la capa de absorción puede reducirse considerablemente y la eficiencia cuántica del electrón aumenta tras varias reflexiones.

(6) Estructura de guía de ondas acoplada al borde (WG-APD)
Otra solución para resolver la contradicción entre los diferentes efectos del espesor de la capa de absorción en la velocidad del dispositivo y la eficiencia cuántica es introducir una estructura de guía de ondas acoplada en los bordes. Esta estructura permite la entrada de luz lateral, lo que facilita la obtención de una alta eficiencia cuántica. Además, permite un espesor muy fino, lo que reduce el tiempo de tránsito de la portadora. Por lo tanto, esta estructura resuelve la diferencia entre el ancho de banda y la eficiencia y el espesor de la capa de absorción, y se espera que logre una alta tasa y eficiencia cuántica de APD. El proceso de WG-APD es más sencillo que el de RCE APD, lo que elimina la compleja preparación del espejo DBR. Por lo tanto, es más viable en la práctica y adecuado para la conexión óptica de plano común.

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 cercanas a las de InAlAs, lo que conduce al doble proceso de los dos simbiontes portadores, lo que hace que el tiempo de construcción de la avalancha sea más largo y el ruido aumentado. En comparación con los materiales InAlAs puros, las estructuras de pozo cuántico InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs tienen una mayor relación de coeficientes de ionización por colisión, por lo que el rendimiento del ruido puede cambiar considerablemente. En términos de estructura, se desarrollaron la estructura SAGCM mejorada por resonador (RCE) y la estructura de guía de ondas acoplada al borde (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, la aplicación práctica completa de estas dos estructuras necesita ser explorada más a fondo.