El principio y la situación actual defotodetector de avalanchas (fotodetector APD) Segunda parte
2.2 Estructura del chip APD
Una estructura de chip adecuada es la garantía básica de dispositivos de alto rendimiento. El diseño estructural de un 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, entre otros factores. 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 de electrones y huecos secundarios, logrando así la amplificación de la fotocorriente primaria. En los materiales de la serie InP, debido a 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. En una situación ideal, 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 suele utilizar como material de la zona de ganancia y el InGaAs como material de la zona de absorción.
(3) Se proponen las estructuras de absorción, gradiente y ganancia (SAGM) respectivamente
Actualmente, la mayoría de los dispositivos APD comerciales utilizan material InP/InGaAs, donde InGaAs actúa como capa de absorción y InP, bajo un campo eléctrico elevado (>5x10⁵V/cm) sin ruptura dieléctrica, puede utilizarse como material de la zona de ganancia. En este diseño, el proceso de avalancha se forma en el InP de tipo N mediante la colisión de huecos. Debido a 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 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 y, como resultado, un tiempo de respuesta prolongado y un ancho de banda estrecho en este APD. Este problema puede resolverse añadiendo una capa de transición de InGaAsP entre ambos materiales.
(4) Se proponen las estructuras de absorción, gradiente, carga y ganancia (SAGCM) respectivamente
Para ajustar aún más la distribución del campo eléctrico de la capa de absorción y la capa de ganancia, se introduce una 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 con 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 de absorción disminuye el tiempo de tránsito de los portadores, lo que permite obtener un ancho de banda amplio. Sin embargo, para lograr una mayor eficiencia cuántica, la capa de absorción debe tener un grosor suficiente. La solución a este problema reside en la estructura de cavidad resonante (RCE), es decir, el reflector de Bragg distribuido (DBR) se diseña en la parte superior e inferior del dispositivo. El espejo DBR está compuesto por dos materiales con índices de refracción bajos y altos, que crecen alternativamente, y cuyo grosor cumple con la longitud de onda de la luz incidente (1/4) 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 del electrón tras varias reflexiones.
(6) Estructura de guía de onda acoplada al borde (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 onda acoplada en el borde. Esta estructura recibe la luz lateralmente, y debido a que la capa de absorción es muy larga, es fácil obtener una alta eficiencia cuántica. Al mismo tiempo, la capa de absorción puede hacerse muy delgada, lo que reduce el tiempo de tránsito de los portadores. Por lo tanto, esta estructura resuelve la diferente dependencia del ancho de banda y la eficiencia con respecto al espesor de la capa de absorción, y se espera que logre un APD de alta velocidad y alta eficiencia cuántica. El proceso del WG-APD es más simple que el del RCE APD, lo que elimina el complejo proceso de preparación del espejo DBR. Por lo tanto, es más factible en el campo práctico 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 proceso doble de los dos simbiones de portadores, lo que hace que el tiempo de construcción de la avalancha sea más largo y el ruido aumente. En comparación con los materiales InAlAs puros, las estructuras de pozos cuánticos InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs tienen una relación de coeficientes de ionización por colisión aumentada, por lo que el rendimiento de ruido puede cambiar significativamente. En términos de estructura, se desarrollan la estructura SAGCM mejorada por resonador (RCE) y la estructura de guía de onda 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.
Fecha de publicación: 14 de noviembre de 2023