O princípio e a situação atual defotodetector de avalanche (Fotodetector APD) Parte Dois
2.2 Estrutura do chip APD
Uma estrutura de chip razoável é a garantia básica de dispositivos de alto desempenho. O projeto estrutural do APD considera principalmente a constante de tempo RC, a captura de lacunas na heterojunção, o tempo de trânsito da portadora através da região de depleção, e assim por diante. O desenvolvimento de sua estrutura é resumido abaixo:
(1) Estrutura básica
A estrutura APD mais simples é baseada no fotodiodo PIN, com as regiões P e N fortemente dopadas, e a região duplamente repelente do tipo N ou do tipo P sendo introduzida na região P ou N adjacente para gerar pares de elétrons e lacunas secundários, de modo a realizar a amplificação da 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 da dopagem do tipo N é geralmente colocada na região P. Em uma situação ideal, apenas lacunas são injetadas na região de ganho, portanto, essa estrutura é chamada de estrutura com injeção de lacunas.
(2) A absorção e o ganho são distinguidos
Devido às características de ampla banda proibida do InP (InP é 1,35 eV e InGaAs é 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 dispositivos APD comerciais utiliza material InP/InGaAs, com InGaAs como camada de absorção. O InP sob alto campo elétrico (>5x105 V/cm) sem ruptura pode ser usado como material de zona de ganho. Para este material, o projeto deste APD é que o processo de avalanche é formado no InP do tipo N pela colisão de lacunas. Considerando a grande diferença na lacuna de banda entre InP e 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 atingir a camada multiplicadora de InP, e a velocidade é bastante reduzida, resultando em um longo tempo de resposta e largura de banda estreita deste APD. Este problema pode ser resolvido adicionando uma camada de transição 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 design do dispositivo, o que melhora muito a velocidade e a capacidade de resposta do dispositivo.
(5) Estrutura SAGCM aprimorada por ressonador (RCE)
No projeto ideal de detectores tradicionais acima, devemos encarar o fato de que a espessura da camada de absorção é um fator contraditório para a velocidade do dispositivo e a eficiência quântica. A espessura fina da camada de absorção pode reduzir o tempo de trânsito da portadora, permitindo obter uma grande largura de banda. No entanto, ao mesmo tempo, para obter maior eficiência quântica, a camada de absorção precisa ter espessura suficiente. A solução para esse problema pode ser a estrutura da cavidade ressonante (RCE), ou seja, o Refletor de Bragg Distribuído (DBR) é projetado na parte inferior e superior do dispositivo. O espelho DBR consiste em dois tipos de materiais com baixo índice de refração e alto índice de refração na estrutura, e os dois crescem alternadamente, e a espessura de cada camada atende ao comprimento de onda da luz incidente de 1/4 no semicondutor. A estrutura do ressonador do detector pode atender aos requisitos de velocidade, a espessura da camada de absorção pode ser muito fina e a eficiência quântica do elétron é aumentada após várias reflexões.
(6) Estrutura de guia de onda acoplada à borda (WG-APD)
Outra solução para resolver a contradição dos diferentes efeitos da espessura da camada de absorção na velocidade do dispositivo e na eficiência quântica é introduzir uma estrutura de guia de onda acoplada por borda. Essa estrutura permite a entrada de luz lateralmente, e como a camada de absorção é muito longa, é fácil obter alta eficiência quântica e, ao mesmo tempo, a camada de absorção pode ser muito fina, reduzindo o tempo de trânsito da portadora. Portanto, essa estrutura resolve a diferente dependência da largura de banda e da eficiência em relação à espessura da camada de absorção, e espera-se que atinja APD de alta taxa e alta eficiência quântica. O processo de APD WG é mais simples do que o de APD RCE, o que elimina o complicado processo de preparação do espelho DBR. Portanto, é mais viável no campo prático e adequado para conexões ópticas de plano comum.
3. Conclusão
O desenvolvimento da avalanchefotodetectormateriais e dispositivos são revisados. As taxas de ionização por colisão de elétrons e lacunas dos materiais InP são próximas às do InAlAs, o que leva ao processo duplo dos dois simbions portadores, o que torna o tempo de construção da avalanche mais longo e o ruído aumentado. Comparadas aos materiais InAlAs puros, as estruturas de poço quântico InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs / InAlAs têm uma razão maior de coeficientes de ionização por colisão, de modo que o desempenho do ruído pode ser bastante alterado. Em termos de estrutura, a estrutura SAGCM aprimorada por ressonador (RCE) e a estrutura de guia de onda acoplada à borda (WG-APD) são desenvolvidas para resolver as contradições dos 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 precisa ser mais explorada.
Horário da publicação: 14/11/2023