O principio e a situación actual do fotodetector de avalanchas (fotodetector APD) Segunda parte

O principio e a situación actual defotodetector de avalanchas (Fotodetector APD) Segunda parte

2.2 Estrutura do chip APD
Unha estrutura de chip razoable é a garantía básica dos dispositivos de alto rendemento. O deseño estrutural do APD considera principalmente a constante de tempo RC, a captura de buratos na heteroxunción, o tempo de tránsito do portador a través da rexión de esgotamento, etc. O desenvolvemento da súa estrutura resúmese a continuación:

(1) Estrutura básica
A estrutura APD máis simple baséase no fotodíodo PIN, a rexión P e a rexión N están fortemente dopadas, e a rexión dobremente repelente de tipo N ou tipo P introdúcese na rexión P ou rexión N adxacente para xerar electróns secundarios e pares de buratos, para realizar a amplificación da fotocorrente primaria. Para os materiais da serie InP, debido a que o coeficiente de ionización por impacto de buratos é maior que o coeficiente de ionización por impacto de electróns, a rexión de ganancia do dopado de tipo N adoita colocarse na rexión P. Nunha situación ideal, só se inxectan buratos na rexión de ganancia, polo que esta estrutura denomínase estrutura inxectada por buratos.

(2) Distínguense entre absorción e ganancia
Debido ás características de banda prohibida 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 o InGaAs como material da zona de absorción.

(3) As estruturas de absorción, gradiente e ganancia (SAGM) propóñense respectivamente
Na actualidade, a maioría dos dispositivos APD comerciais empregan material InP/InGaAs, InGaAs como capa de absorción, e InP baixo un campo eléctrico elevado (>5x105V/cm) sen ruptura, pode empregarse como material de zona de ganancia. Para este material, o deseño deste APD é que o proceso de avalancha se forma no InP de tipo N pola colisión de buratos. Tendo en conta a gran diferenza na banda prohibida 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 obstruan no bordo da heterounión antes de chegar á capa multiplicadora de InP e a velocidade redúcese considerablemente, o que resulta nun tempo de resposta longo e un ancho de banda estreito deste APD. Este problema pódese resolver engadindo unha capa de transición de 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, introdúcese a capa de carga no deseño do dispositivo, o que mellora considerablemente a velocidade e a capacidade de resposta do dispositivo.

(5) Estrutura SAGCM mellorada con resonador (RCE)
No deseño óptimo anterior dos detectores tradicionais, debemos enfrontarnos ao feito de que o grosor da capa de absorción é un factor contraditorio para a velocidade do dispositivo e a eficiencia cuántica. O grosor fino da capa absorbente pode reducir o tempo de tránsito do portador, polo que se pode obter unha gran largura 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 de Bragg distribuído (DBR) 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 resonante do detector pode cumprir os requisitos de velocidade, o grosor da capa de absorción pode facerse moi fino e a eficiencia cuántica do electrón aumenta despois de varias reflexións.

(6) Estrutura de guía de ondas acoplada a bordos (WG-APD)
Outra solución para resolver a contradición dos diferentes efectos do grosor da capa de absorción na velocidade do dispositivo e a eficiencia cuántica é introducir unha estrutura de guía de ondas acoplada por bordos. Esta estrutura entra na luz polo lateral, debido a que a capa de absorción é moi longa, é doado obter unha alta eficiencia cuántica e, ao mesmo tempo, a capa de absorción pode facerse moi delgada, reducindo o tempo de tránsito do portador. Polo tanto, esta estrutura resolve a diferente dependencia do ancho de banda e a eficiencia no grosor da capa de absorción e espérase que logre unha APD de alta taxa e alta 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 das avalanchasfotodetectorRevísanse materiais e dispositivos. As taxas de ionización por colisión de electróns e buratos dos materiais InP son próximas ás do InAlAs, o que leva ao dobre proceso das dúas simbións portadoras, o que fai que o tempo de formación 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 maior proporción de coeficientes de ionización por colisión, polo que o rendemento do ruído pode variar considerablemente. En termos de estrutura, desenvolvéronse unha estrutura SAGCM mellorada por resonador (RCE) e unha estrutura de guía de ondas acoplada a bordos (WG-APD) para resolver as contradicións dos diferentes efectos do grosor da capa de absorción na velocidade do dispositivo e a eficiencia cuántica. Debido á complexidade do proceso, é necesario explorar máis a fondo a aplicación práctica completa destas dúas estruturas.