Principiul și situația actuală afotodetector de avalanșă (Fotodetector APDPartea a doua
2.2 Structura cipului APD
O structură rezonabilă a cipului este garanția de bază a dispozitivelor de înaltă performanță. Designul structural al APD ia în considerare în principal constanta de timp RC, captura de goluri la heterojoncțiune, timpul de tranzit al purtătorului prin regiunea de epuizare și așa mai departe. Dezvoltarea structurii sale este rezumată mai jos:
(1) Structura de bază
Cea mai simplă structură APD se bazează pe fotodioda PIN, regiunea P și regiunea N fiind puternic dopate, iar regiunea dublu-repelentă de tip N sau de tip P este introdusă în regiunea P sau regiunea N adiacentă pentru a genera electroni secundari și perechi de goluri, astfel încât să se realizeze amplificarea fotocurentului primar. Pentru materialele din seria InP, deoarece coeficientul de ionizare prin impact al găurilor este mai mare decât coeficientul de ionizare prin impact al electronilor, regiunea de amplificare a dopării de tip N este de obicei plasată în regiunea P. Într-o situație ideală, doar găurile sunt injectate în regiunea de amplificare, de aceea această structură se numește structură injectată cu găuri.
(2) Absorbția și câștigul se disting
Datorită caracteristicilor de bandă interzisă largă ale InP (InP este 1,35 eV, iar InGaAs este 0,75 eV), InP este de obicei utilizat ca material pentru zona de amplificare, iar InGaAs ca material pentru zona de absorbție.
(3) Structurile de absorbție, gradient și câștig (SAGM) sunt propuse respectiv
În prezent, majoritatea dispozitivelor APD comerciale utilizează material InP/InGaAs, InGaAs ca strat de absorbție, iar InP sub un câmp electric intens (>5x105V/cm) fără defectare, poate fi utilizat ca material pentru zona de amplificare. Designul acestui APD este astfel încât procesul de avalanșă se formează în InP de tip N prin coliziunea golurilor. Având în vedere diferența mare în banda interzisă dintre InP și InGaAs, diferența de nivel de energie de aproximativ 0,4eV în banda de valență face ca golurile generate în stratul de absorbție InGaAs să fie obstrucționate la marginea heterojoncțiunii înainte de a ajunge la stratul multiplicator InP, iar viteza este redusă considerabil, rezultând un timp de răspuns lung și o lățime de bandă îngustă a acestui APD. Această problemă poate fi rezolvată prin adăugarea unui strat de tranziție InGaAsP între cele două materiale.
(4) Structurile de absorbție, gradient, sarcină și câștig (SAGCM) sunt propuse respectiv
Pentru a ajusta în continuare distribuția câmpului electric al stratului de absorbție și al stratului de amplificare, stratul de încărcare este introdus în designul dispozitivului, ceea ce îmbunătățește considerabil viteza și răspunsul acestuia.
(5) Structură SAGCM cu rezonator îmbunătățit (RCE)
În designul optim de mai sus al detectoarelor tradiționale, trebuie să luăm în considerare faptul că grosimea stratului de absorbție este un factor contradictoriu pentru viteza dispozitivului și eficiența cuantică. Grosimea subțire a stratului de absorbție poate reduce timpul de tranzit al purtătorului, astfel încât se poate obține o lățime de bandă mare. Cu toate acestea, în același timp, pentru a obține o eficiență cuantică mai mare, stratul de absorbție trebuie să aibă o grosime suficientă. Soluția la această problemă poate fi structura cavității rezonante (RCE), adică reflectorul Bragg distribuit (DBR) este proiectat în partea de jos și de sus a dispozitivului. Oglinda DBR este alcătuită din două tipuri de materiale cu indice de refracție scăzut și indice de refracție ridicat în structură, iar cele două cresc alternativ, iar grosimea fiecărui strat atinge lungimea de undă a luminii incidente 1/4 în semiconductor. Structura rezonatorului detectorului poate îndeplini cerințele de viteză, grosimea stratului de absorbție poate fi făcută foarte subțire, iar eficiența cuantică a electronului este crescută după mai multe reflexii.
(6) Structura ghidului de undă cuplat la muchie (WG-APD)
O altă soluție pentru a rezolva contradicția dintre efectele diferite ale grosimii stratului de absorbție asupra vitezei dispozitivului și a eficienței cuantice este introducerea unei structuri de ghid de undă cuplate la muchii. Această structură pătrunde în lumină din lateral, deoarece stratul de absorbție este foarte lung, este ușor să se obțină o eficiență cuantică ridicată și, în același timp, stratul de absorbție poate fi realizat foarte subțire, reducând timpul de tranzit al purtătorului. Prin urmare, această structură rezolvă dependența diferită a lățimii de bandă și a eficienței de grosimea stratului de absorbție și se așteaptă să atingă o rată mare și o eficiență cuantică ridicată. Procesul WG-APD este mai simplu decât cel al RCE APD, ceea ce elimină procesul complicat de preparare a oglinzii DBR. Prin urmare, este mai fezabilă în domeniul practic și potrivită pentru conexiunea optică în plan comun.
3. Concluzie
Dezvoltarea avalanșeifotodetectorMateriale și dispozitive sunt analizate. Ratele de ionizare prin coliziune de electroni și goluri ale materialelor InP sunt apropiate de cele ale InAlAs, ceea ce duce la un proces dublu al celor doi simbioni purtători, ceea ce face ca timpul de formare a avalanșei să fie mai lung și zgomotul să fie crescut. Comparativ cu materialele InAlAs pure, structurile cu sonde cuantice InGaAs (P) /InAlAs și In (Al) GaAs/InAlAs au un raport crescut al coeficienților de ionizare prin coliziune, astfel încât performanța zgomotului poate fi modificată considerabil. În ceea ce privește structura, structura SAGCM îmbunătățită cu rezonator (RCE) și structura ghidului de undă cuplat la muchii (WG-APD) sunt dezvoltate pentru a rezolva contradicțiile diferitelor efecte ale grosimii stratului de absorbție asupra vitezei dispozitivului și a eficienței cuantice. Datorită complexității procesului, aplicarea practică completă a acestor două structuri trebuie explorată în continuare.
Data publicării: 14 noiembrie 2023