Principiul și situația actuală afotodetector de avalanșă (Fotodetector APD) Partea a doua
2.2 Structura cipului APD
Structura rezonabilă a cipului este garanția de bază a dispozitivelor de înaltă performanță.Proiectarea structurală a APD ia în considerare în principal constanta de timp RC, captarea găurilor 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 sunt puternic dopate, iar regiunea dublu respingătoare de tip N sau de tip P este introdusă în regiunea P adiacentă sau regiunea N pentru a genera electroni secundari și gaură. perechi, astfel încât să se realizeze amplificarea fotocurentului primar.Pentru materialele din seria InP, deoarece coeficientul de ionizare a impactului găurii este mai mare decât coeficientul de ionizare a impactului electronilor, regiunea de câștig a dopajului de tip N este de obicei plasată în regiunea P.Într-o situație ideală, numai găurile sunt injectate în regiunea de câștig, așa că această structură se numește structură injectată cu găuri.
(2) Se disting absorbția și câștigul
Datorită caracteristicilor benzii interzise ale InP (InP este 1,35eV și InGaAs este 0,75eV), InP este de obicei utilizat ca material pentru zona de câștig și InGaAs ca material pentru zona de absorbție.
(3) Sunt propuse structurile de absorbție, gradient și câștig (SAGM).
În prezent, majoritatea dispozitivelor comerciale APD utilizează material InP/InGaAs, InGaAs ca strat de absorbție, InP sub câmp electric ridicat (>5x105V/cm) fără defalcare, poate fi folosit ca material pentru zona de câștig.Pentru acest material, proiectarea acestui APD este că procesul de avalanșă se formează în InP de tip N prin ciocnirea găurilor.Având în vedere diferența mare de bandă între InP și InGaAs, diferența de nivel de energie de aproximativ 0,4eV în banda de valență face ca găurile generate în stratul de absorbție InGaAs să fie obstrucționate la marginea heterojoncției înainte de a ajunge la stratul multiplicator InP și viteza este foarte mare. redus, 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) Sunt propuse structurile de absorbție, gradient, încărcare și câștig (SAGCM).
Pentru a regla în continuare distribuția câmpului electric a stratului de absorbție și a stratului de câștig, stratul de încărcare este introdus în designul dispozitivului, ceea ce îmbunătățește foarte mult viteza și capacitatea de răspuns a dispozitivului.
(5) Structură SAGCM îmbunătățită cu rezonator (RCE).
În proiectarea optimă de mai sus a detectoarelor tradiționale, trebuie să ne confruntăm cu faptul că grosimea stratului de absorbție este un factor contradictoriu pentru viteza dispozitivului și eficiența cuantică.Grosimea subțire a stratului absorbant poate reduce timpul de tranzit al purtătorului, astfel încât se poate obține o lățime de bandă mare.Totuși, 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 constă 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 îndeplinește 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 margine (WG-APD)
O altă soluție pentru a rezolva contradicția diferitelor efecte ale grosimii stratului de absorbție asupra vitezei dispozitivului și eficienței cuantice este introducerea structurii ghidului de undă cuplat cu margini.Această structură intră în lumină din lateral, deoarece stratul de absorbție este foarte lung, este ușor de obținut o eficiență cuantică ridicată și, în același timp, stratul de absorbție poate fi făcut 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 este de așteptat să atingă o rată ridicată și o eficiență cuantică ridicată APD.Procesul WG-APD este mai simplu decât cel al RCE APD, ceea ce elimină procesul complicat de pregătire a oglinzii DBR.Prin urmare, este mai fezabil în domeniul practic și potrivit pentru conexiunea optică plană comună.
3. Concluzie
Dezvoltarea avalanșeifotodetectormaterialele și dispozitivele sunt revizuite.Ratele de ionizare a electronilor și a găurilor de ionizare ale materialelor InP sunt apropiate de cele ale InAlAs, ceea ce duce la procesul dublu al celor doi simbioni purtători, ceea ce face ca timpul de construire a avalanșei să fie mai lung și zgomotul crescut.În comparație cu materialele pure InAlAs, structurile de puțuri cuantice InGaAs (P)/InAlAs și In (Al) GaAs/InAlAs au un raport crescut al coeficienților de ionizare a coliziunii, astfel încât performanța zgomotului poate fi modificată foarte mult.În ceea ce privește structura, structura SAGCM îmbunătățită cu rezonator (RCE) și structura ghidului de undă cuplat cu muchii (WG-APD) sunt dezvoltate pentru a rezolva contradicțiile diferitelor efecte ale grosimii stratului de absorbție asupra vitezei dispozitivului și eficienței cuantice.Datorită complexității procesului, aplicarea practică completă a acestor două structuri trebuie explorată în continuare.
Ora postării: 14-nov-2023