O princípio e a situação atual defotodetector de avalanche (Fotodetector APD) Parte Dois
2.2 Estrutura do chip APD
Uma estrutura de chip adequada é a garantia básica de dispositivos de alto desempenho. O projeto estrutural de um APD considera principalmente a constante de tempo RC, a captura de lacunas na heterojunção, o tempo de trânsito dos portadores através da região de depleção, entre outros fatores. O desenvolvimento de sua estrutura é resumido a seguir:
(1) Estrutura básica
A estrutura APD mais simples é baseada no fotodiodo PIN, onde as regiões P e N são fortemente dopadas e uma região duplamente repelente do tipo N ou P é introduzida na região P ou N adjacente para gerar pares de elétrons e lacunas secundários, de modo a amplificar a fotocorrente primária. Para materiais da série InP, como o coeficiente de ionização por impacto de lacunas é maior que o coeficiente de ionização por impacto de elétrons, a região de ganho com dopagem do tipo N geralmente é localizada na região P. Em uma situação ideal, apenas lacunas são injetadas na região de ganho, por isso essa estrutura é chamada de estrutura com injeção de lacunas.
(2) Absorção e ganho são distinguidos
Devido às características de banda proibida larga do InP (InP tem 1,35 eV e InGaAs tem 0,75 eV), o InP é geralmente usado como material da zona de ganho e o InGaAs como material da zona de absorção.
(3) As estruturas de absorção, gradiente e ganho (SAGM) são propostas respectivamente
Atualmente, a maioria dos fotodiodos de avalanche (APDs) comerciais utiliza o material InP/InGaAs, com o InGaAs atuando como camada de absorção e o InP, sob alto campo elétrico (>5x10⁵ V/cm) sem ruptura, podendo ser utilizado como material da zona de ganho. Para esse material, o projeto do APD baseia-se na formação do processo de avalanche no InP tipo N pela colisão de lacunas. Considerando a grande diferença na banda proibida entre o InP e o InGaAs, a diferença de nível de energia de cerca de 0,4 eV na banda de valência faz com que as lacunas geradas na camada de absorção de InGaAs sejam obstruídas na borda da heterojunção antes de atingirem a camada multiplicadora de InP, reduzindo significativamente a velocidade de propagação. Isso resulta em um longo tempo de resposta e uma largura de banda estreita para o APD. Esse problema pode ser resolvido com a adição de uma camada de transição de InGaAsP entre os dois materiais.
(4) As estruturas de absorção, gradiente, carga e ganho (SAGCM) são propostas respectivamente
Para ajustar ainda mais a distribuição do campo elétrico da camada de absorção e da camada de ganho, a camada de carga é introduzida no projeto do dispositivo, o que melhora significativamente a velocidade e a capacidade de resposta do dispositivo.
(5) Estrutura SAGCM aprimorada por ressonador (RCE)
No projeto otimizado de detectores tradicionais descrito acima, devemos considerar que a espessura da camada de absorção é um fator contraditório para a velocidade e a eficiência quântica do dispositivo. Uma camada de absorção fina pode reduzir o tempo de trânsito dos portadores, permitindo a obtenção de uma grande largura de banda. No entanto, para se obter uma eficiência quântica mais alta, a camada de absorção precisa ter uma espessura suficiente. A solução para esse problema reside na estrutura de cavidade ressonante (RCE), ou seja, um refletor de Bragg distribuído (DBR) é projetado na parte inferior e superior do dispositivo. O espelho DBR consiste em dois tipos de materiais com índice de refração baixo e alto, depositados alternadamente, com a espessura de cada camada correspondendo a 1/4 do comprimento de onda da luz incidente no semicondutor. A estrutura ressonante do detector atende aos requisitos de velocidade, permite que a espessura da camada de absorção seja muito fina e aumenta a eficiência quântica dos elétrons após várias reflexões.
(6) Estrutura de guia de onda acoplada à borda (WG-APD)
Outra solução para resolver a contradição entre os diferentes efeitos da espessura da camada de absorção na velocidade e na eficiência quântica do dispositivo é a introdução de uma estrutura de guia de onda acoplada pela borda. Essa estrutura permite a entrada de luz lateralmente e, como a camada de absorção é muito longa, é fácil obter alta eficiência quântica. Ao mesmo tempo, essa camada pode ser muito fina, reduzindo o tempo de trânsito dos portadores. Portanto, essa estrutura resolve a dependência da largura de banda e da eficiência em relação à espessura da camada de absorção, e espera-se que permita alcançar fotodiodos de avalanche (APDs) de alta taxa de transferência e alta eficiência quântica. O processo de fabricação do APD com guia de onda (WG-APD) é mais simples do que o do APD com acoplamento de borda (RCE), eliminando o complexo processo de preparação do espelho DBR. Consequentemente, é mais viável na prática e adequado para conexões ópticas em plano comum.
3. Conclusão
O desenvolvimento de avalanchesfotodetectorEste trabalho revisa materiais e dispositivos. As taxas de ionização por colisão de elétrons e lacunas em materiais de InP são próximas às do InAlAs, o que leva ao processo duplo dos dois simbiontes portadores, resultando em um tempo de formação de avalanche mais longo e aumento do ruído. Comparadas aos materiais de InAlAs puro, as estruturas de poços quânticos de InGaAs(P)/InAlAs e In(Al)GaAs/InAlAs apresentam uma razão maior entre os coeficientes de ionização por colisão, o que pode alterar significativamente o desempenho em termos de ruído. Em relação à estrutura, foram desenvolvidas estruturas de SAGCM com aprimoramento por ressonador (RCE) e estruturas de guia de onda acopladas por borda (WG-APD) para solucionar as contradições entre os diferentes efeitos da espessura da camada de absorção na velocidade do dispositivo e na eficiência quântica. Devido à complexidade do processo, a aplicação prática completa dessas duas estruturas ainda precisa ser explorada.
Data da publicação: 14/11/2023