O principio e a situación actual defotodetector de avalanchas (Fotodetector APD) Segunda parte
2.2 Estrutura do chip APD
A estrutura de chip razoable é a garantía básica dos dispositivos de alto rendemento. O deseño estrutural de APD considera principalmente a constante de tempo RC, a captura de buratos na heteroxunción, o tempo de tránsito do portador pola rexión de esgotamento, etc. O desenvolvemento da súa estrutura resúmese a continuación:
(1) Estrutura básica
A estrutura APD máis sinxela baséase no fotodiodo PIN, a rexión P e a rexión N están fortemente dopadas, e a rexión dobre repelente de tipo N ou tipo P introdúcese na rexión P ou rexión N adxacente para xerar electróns secundarios e oco. pares, para realizar a amplificación da fotocorrente primaria. Para os materiais da serie InP, debido a que o coeficiente de ionización de impacto do burato é maior que o coeficiente de ionización de impacto de electróns, a rexión de ganancia do dopaxe de tipo N adoita situarse na rexión P. Nunha situación ideal, só se inxectan buratos na rexión de ganancia, polo que esta estrutura chámase estrutura inxectada por buratos.
(2) Distínguense absorción e ganancia
Debido ás características de intervalo de banda ampla do InP (InP é 1,35 eV e InGaAs é 0,75 eV), o InP úsase normalmente como material da zona de ganancia e InGaAs como material da zona de absorción.
(3) Propóñense as estruturas de absorción, gradiente e ganancia (SAGM) respectivamente
Na actualidade, a maioría dos dispositivos APD comerciais usan material InP/InGaAs, InGaAs como capa de absorción, InP baixo campo eléctrico alto (>5x105V/cm) sen ruptura, pódese usar como material da zona de ganancia. Para este material, o deseño deste APD é que o proceso de avalancha se forme no InP tipo N pola colisión de buratos. Tendo en conta a gran diferenza no intervalo de banda entre InP e InGaAs, a diferenza de nivel de enerxía duns 0,4 eV na banda de valencia fai que os buratos xerados na capa de absorción de InGaAs se obstruyan no bordo da heteroxunción antes de chegar á capa multiplicadora de InP e a velocidade sexa grandemente reducido, o que resulta nun longo tempo de resposta e un ancho de banda estreito deste APD. Este problema pódese resolver engadindo unha capa de transición InGaAsP entre os dous materiais.
(4) Propóñense as estruturas de absorción, gradiente, carga e ganancia (SAGCM) respectivamente
Para axustar aínda máis a distribución do campo eléctrico da capa de absorción e da capa de ganancia, a capa de carga introdúcese no deseño do dispositivo, o que mellora moito a velocidade e a capacidade de resposta do dispositivo.
(5) Estrutura SAGCM mellorada por resonador (RCE).
No deseño óptimo anterior dos detectores tradicionais, debemos afrontar o feito de que o grosor da capa de absorción é un factor contraditorio para a velocidade do dispositivo e a eficiencia cuántica. O fino espesor da capa absorbente pode reducir o tempo de tránsito do portador, polo que se pode obter un gran ancho de banda. Non obstante, ao mesmo tempo, para obter unha maior eficiencia cuántica, a capa de absorción debe ter un grosor suficiente. A solución a este problema pode ser a estrutura da cavidade resonante (RCE), é dicir, o reflector Bragg (DBR) distribuído está deseñado na parte inferior e superior do dispositivo. O espello DBR consta de dous tipos de materiais con baixo índice de refracción e alto índice de refracción na estrutura, e os dous medran alternativamente e o grosor de cada capa cumpre coa lonxitude de onda da luz incidente 1/4 no semicondutor. A estrutura do resonador do detector pode cumprir os requisitos de velocidade, o grosor da capa de absorción pódese facer moi delgada e a eficiencia cuántica do electrón aumenta despois de varias reflexións.
(6) Estrutura de guía de ondas acopladas ao borde (WG-APD)
Outra solución para resolver a contradición dos diferentes efectos do grosor da capa de absorción na velocidade do dispositivo e na eficiencia cuántica é introducir unha estrutura de guía de ondas acoplada por bordos. Esta estrutura entra a luz desde o lado, porque a capa de absorción é moi longa, é fácil obter unha alta eficiencia cuántica e, ao mesmo tempo, a capa de absorción pódese facer moi delgada, reducindo o tempo de tránsito do portador. Polo tanto, esta estrutura resolve a diferente dependencia do ancho de banda e da eficiencia do grosor da capa de absorción, e espérase que consiga un APD de alta taxa e eficiencia cuántica. O proceso de WG-APD é máis sinxelo que o de RCE APD, o que elimina o complicado proceso de preparación do espello DBR. Polo tanto, é máis factible no campo práctico e axeitado para a conexión óptica de plano común.
3. Conclusión
O desenvolvemento da avalanchafotodetectorRevísase materiais e dispositivos. As taxas de ionización por colisión de electróns e buratos dos materiais InP son próximas ás dos InAlAs, o que leva ao dobre proceso dos dous simbios portadores, o que fai que o tempo de construción da avalancha sexa máis longo e o ruído aumente. En comparación cos materiais InAlAs puros, as estruturas de pozos cuánticos InGaAs (P)/InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs teñen unha relación maior de coeficientes de ionización de colisión, polo que o rendemento do ruído pode modificarse moito. En termos de estrutura, desenvólvense a estrutura SAGCM mellorada por resonador (RCE) e a estrutura de guía de ondas acopladas ao bordo (WG-APD) para resolver as contradicións dos diferentes efectos do grosor da capa de absorción na velocidade do dispositivo e na eficiencia cuántica. Debido á complexidade do proceso, a aplicación práctica total destas dúas estruturas debe ser explorada máis a fondo.
Hora de publicación: 14-nov-2023