O princípio e a situação atual do fotodetector de avalanche (fotodetector APD) Parte Dois

O princípio e a situação actual dafotodetector de avalanche (Fotodetector APD) Parte Dois

2.2 Estrutura do chip APD
A estrutura razoável do chip é a garantia básica de dispositivos de alto desempenho. O projeto estrutural do APD considera principalmente a constante de tempo RC, a captura de buracos na heterojunção, o tempo de trânsito do portador através da região de depleção e assim por diante. O desenvolvimento de sua estrutura está resumido a seguir:

(1) Estrutura básica
A estrutura APD mais simples é baseada no fotodiodo PIN, a região P e a região N são fortemente dopadas, e a região duplamente repelente tipo N ou tipo P é introduzida na região P adjacente ou região N para gerar elétrons secundários e buraco pares, de modo a realizar a amplificação da fotocorrente primária. Para materiais da série InP, como o coeficiente de ionização por impacto de furo 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 furos são injetados na região de ganho, por isso essa estrutura é chamada de estrutura com furo injetado.

(2) Absorção e ganho são diferenciados
Devido às características de amplo intervalo de banda do InP (InP é 1,35eV e InGaAs é 0,75eV), o InP é geralmente usado como material da zona de ganho e 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 usam material InP/InGaAs, InGaAs como camada de absorção, InP sob alto campo elétrico (> 5x105V/cm) sem quebra, pode ser usado como material de zona de ganho. Para este material, o desenho deste APD é que o processo de avalanche é formado no InP tipo N pela colisão de buracos. Considerando a grande diferença no intervalo de bandas entre InP e InGaAs, a diferença no nível de energia de cerca de 0,4eV na banda de valência faz com que os buracos gerados na camada de absorção de InGaAs sejam obstruídos na borda da heterojunção antes de atingir a camada multiplicadora de InP e a velocidade é grandemente reduzido, 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
A fim de 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 fina espessura da camada absorvente pode reduzir o tempo de trânsito do transportador, de modo que uma grande largura de banda pode ser obtida. Porém, ao mesmo tempo, para obter maior eficiência quântica, a camada de absorção precisa ter espessura suficiente. A solução para este 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 1/4 no semicondutor. A estrutura ressonadora 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 à borda. Essa estrutura entra na luz lateralmente, pois 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 do portador. Portanto, esta estrutura resolve as diferentes dependências da largura de banda e da eficiência na espessura da camada de absorção, e espera-se que atinja APD de alta taxa e alta eficiência quântica. O processo do WG-APD é mais simples que o do RCE APD, o que elimina o complicado processo de preparação do espelho DBR. Portanto, é mais viável no campo prático e adequado para conexão óptica de plano comum.

3. Conclusão
O desenvolvimento da avalanchefotodetectormateriais e dispositivos são revisados. As taxas de ionização por colisão de elétrons e buracos dos materiais InP são próximas às do InAlAs, o que leva ao processo duplo dos dois simbiontes transportadores, o que torna o tempo de construção da avalanche mais longo e o ruído aumentado. Em comparação com materiais InAlAs puros, as estruturas de poços quânticos InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs têm uma proporção aumentada de coeficientes de ionização de 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 de diferentes efeitos da espessura da camada de absorção na velocidade do dispositivo e na eficiência quântica. Devido à complexidade do processo, a plena aplicação prática destas duas estruturas precisa ser mais explorada.