El principi i la situació actual del fotodetector d'allaus (fotodetector APD) Segona part

El principi i la situació actual defotodetector d'allaus (fotodetector APD) Segona part

2.2 Estructura del xip APD
Una estructura de xip raonable és la garantia bàsica dels dispositius d'alt rendiment. El disseny estructural de l'APD considera principalment la constant de temps RC, la captura de forats a l'heterounió, el temps de trànsit del portador a través de la regió d'esgotament, etc. El desenvolupament de la seva estructura es resumeix a continuació:

(1) Estructura bàsica
L'estructura APD més simple es basa en el fotodíode PIN, la regió P i la regió N estan fortament dopades, i la regió doblement repel·lent de tipus N o P s'introdueix a la regió P o regió N adjacent per generar electrons secundaris i parells de forats, per tal de realitzar l'amplificació del fotocorrent primari. Per als materials de la sèrie InP, com que el coeficient d'ionització per impacte de forats és més gran que el coeficient d'ionització per impacte d'electrons, la regió de guany del dopatge de tipus N se sol col·locar a la regió P. En una situació ideal, només s'injecten forats a la regió de guany, per la qual cosa aquesta estructura s'anomena estructura injectada per forats.

(2) Es distingeixen entre absorció i guany
A causa de les característiques de banda prohibida ampla de l'InP (l'InP és d'1,35 eV i l'InGaAs és de 0,75 eV), l'InP s'utilitza normalment com a material de la zona de guany i l'InGaAs com a material de la zona d'absorció.

(3) Les estructures d'absorció, gradient i guany (SAGM) es proposen respectivament.
Actualment, la majoria de dispositius APD comercials utilitzen material InP/InGaAs, InGaAs com a capa d'absorció, InP sota un camp elèctric elevat (>5x105V/cm) sense ruptura, es pot utilitzar com a material de zona de guany. Per a aquest material, el disseny d'aquest APD és que el procés d'allau es forma a l'InP de tipus N per la col·lisió de forats. Tenint en compte la gran diferència en la banda prohibida entre InP i InGaAs, la diferència de nivell d'energia d'uns 0,4 eV a la banda de valència fa que els forats generats a la capa d'absorció d'InGaAs s'obstrueixin a la vora d'heterounió abans d'arribar a la capa multiplicadora d'InP i la velocitat es redueix considerablement, la qual cosa resulta en un temps de resposta llarg i una amplada de banda estreta d'aquest APD. Aquest problema es pot resoldre afegint una capa de transició d'InGaAsP entre els dos materials.

(4) Les estructures d'absorció, gradient, càrrega i guany (SAGCM) es proposen respectivament.
Per tal d'ajustar encara més la distribució del camp elèctric de la capa d'absorció i la capa de guany, s'introdueix la capa de càrrega al disseny del dispositiu, cosa que millora considerablement la velocitat i la resposta del dispositiu.

(5) Estructura SAGCM millorada amb ressonador (RCE)
En el disseny òptim anterior dels detectors tradicionals, hem d'afrontar el fet que el gruix de la capa d'absorció és un factor contradictori per a la velocitat del dispositiu i l'eficiència quàntica. El gruix prim de la capa absorbent pot reduir el temps de trànsit del portador, de manera que es pot obtenir una gran amplada de banda. Tanmateix, al mateix temps, per obtenir una major eficiència quàntica, la capa d'absorció ha de tenir un gruix suficient. La solució a aquest problema pot ser l'estructura de cavitat ressonant (RCE), és a dir, el reflector de Bragg distribuït (DBR) està dissenyat a la part inferior i superior del dispositiu. El mirall DBR consta de dos tipus de materials amb un índex de refracció baix i un índex de refracció alt en estructura, i els dos creixen alternativament, i el gruix de cada capa coincideix amb la longitud d'ona de la llum incident 1/4 en el semiconductor. L'estructura ressonadora del detector pot complir els requisits de velocitat, el gruix de la capa d'absorció es pot fer molt prim i l'eficiència quàntica de l'electró augmenta després de diverses reflexions.

(6) Estructura de guia d'ones acoblada per vores (WG-APD)
Una altra solució per resoldre la contradicció dels diferents efectes del gruix de la capa d'absorció sobre la velocitat del dispositiu i l'eficiència quàntica és introduir una estructura de guia d'ones acoblada per vores. Aquesta estructura entra a la llum des del costat, ja que la capa d'absorció és molt llarga, és fàcil obtenir una alta eficiència quàntica i, alhora, la capa d'absorció es pot fer molt prima, reduint el temps de trànsit del portador. Per tant, aquesta estructura resol la diferent dependència de l'amplada de banda i l'eficiència del gruix de la capa d'absorció, i s'espera que aconsegueixi una alta velocitat i una alta eficiència quàntica APD. El procés de WG-APD és més senzill que el de RCE APD, cosa que elimina el complicat procés de preparació del mirall DBR. Per tant, és més factible en el camp pràctic i adequat per a la connexió òptica del pla comú.

3. Conclusió
El desenvolupament de l'allaufotodetectorEs revisen els materials i dispositius. Les taxes d'ionització per col·lisió d'electrons i forats dels materials InP són properes a les d'InAlAs, cosa que condueix al doble procés dels dos simbions de portadors, cosa que fa que el temps de formació d'allaus sigui més llarg i que el soroll augmenti. En comparació amb els materials InAlAs purs, les estructures de pous quàntics InGaAs (P) /InAlAs i In (Al) GaAs / InAlAs tenen una relació més gran de coeficients d'ionització per col·lisió, de manera que el rendiment del soroll es pot canviar considerablement. Pel que fa a l'estructura, es desenvolupen una estructura SAGCM millorada per ressonador (RCE) i una estructura de guia d'ones acoblada a vores (WG-APD) per tal de resoldre les contradiccions dels diferents efectes del gruix de la capa d'absorció sobre la velocitat del dispositiu i l'eficiència quàntica. A causa de la complexitat del procés, cal explorar més a fons l'aplicació pràctica completa d'aquestes dues estructures.