Il principio e la situazione attuale difotodetector per valanghe (Fotodiodo APD) Parte seconda
2.2 Struttura del chip APD
Una struttura del chip ragionevole è la garanzia fondamentale di dispositivi ad alte prestazioni. La progettazione strutturale dell'APD considera principalmente la costante di tempo RC, la cattura delle lacune a livello di eterogiunzione, il tempo di transito dei portatori attraverso la regione di svuotamento e così via. Lo sviluppo della sua struttura è riassunto di seguito:
(1) Struttura di base
La struttura APD più semplice si basa sul fotodiodo PIN: la regione P e la regione N sono fortemente drogate e la regione doppiamente repellente di tipo N o di tipo P viene introdotta nella regione P o nella regione N adiacente per generare coppie di elettroni e lacune secondarie, in modo da ottenere l'amplificazione della fotocorrente primaria. Per i materiali della serie InP, poiché il coefficiente di ionizzazione per impatto di lacune è maggiore del coefficiente di ionizzazione per impatto di elettroni, la regione di guadagno del drogaggio di tipo N viene solitamente posizionata nella regione P. In una situazione ideale, solo le lacune vengono iniettate nella regione di guadagno, quindi questa struttura è chiamata struttura a iniezione di lacune.
(2) Si distinguono assorbimento e guadagno
A causa delle caratteristiche di ampio band gap dell'InP (InP è 1,35 eV e InGaAs è 0,75 eV), l'InP viene solitamente utilizzato come materiale per la zona di guadagno e l'InGaAs come materiale per la zona di assorbimento.
(3) Vengono proposte rispettivamente le strutture di assorbimento, gradiente e guadagno (SAGM)
Attualmente, la maggior parte dei dispositivi APD commerciali utilizza il materiale InP/InGaAs. L'InGaAs è utilizzato come strato di assorbimento, mentre l'InP, sottoposto ad un campo elettrico elevato (>5x105 V/cm) senza guasti, può essere utilizzato come materiale per la zona di guadagno. Per questo materiale, il design di questo APD prevede che il processo a valanga si formi nell'InP di tipo N tramite la collisione delle lacune. Considerando l'elevata differenza nel band gap tra InP e InGaAs, la differenza di livello energetico di circa 0,4 eV nella banda di valenza fa sì che le lacune generate nello strato di assorbimento dell'InGaAs vengano ostruite al bordo dell'eterogiunzione prima di raggiungere lo strato moltiplicatore dell'InP e la velocità venga notevolmente ridotta, con conseguente lungo tempo di risposta e larghezza di banda ridotta di questo APD. Questo problema può essere risolto aggiungendo uno strato di transizione InGaAsP tra i due materiali.
(4) Vengono proposte rispettivamente le strutture di assorbimento, gradiente, carica e guadagno (SAGCM)
Per regolare ulteriormente la distribuzione del campo elettrico dello strato di assorbimento e dello strato di guadagno, nella progettazione del dispositivo è stato introdotto uno strato di carica, il che ne migliora notevolmente la velocità e la reattività.
(5) Struttura SAGCM con risonatore migliorato (RCE)
Nella progettazione ottimale dei rivelatori tradizionali sopra descritta, dobbiamo tenere presente che lo spessore dello strato di assorbimento è un fattore contraddittorio per la velocità del dispositivo e l'efficienza quantistica. Uno spessore sottile dello strato di assorbimento può ridurre il tempo di transito dei portatori, consentendo di ottenere un'ampia larghezza di banda. Tuttavia, allo stesso tempo, per ottenere una maggiore efficienza quantistica, lo strato di assorbimento deve avere uno spessore sufficiente. La soluzione a questo problema può essere la struttura a cavità risonante (RCE), ovvero il riflettore di Bragg distribuito (DBR) progettato nella parte inferiore e superiore del dispositivo. Lo specchio DBR è costituito da due tipi di materiali con basso e alto indice di rifrazione nella struttura, che crescono alternativamente e lo spessore di ciascun strato raggiunge la lunghezza d'onda della luce incidente di 1/4 nel semiconduttore. La struttura risonante del rivelatore può soddisfare i requisiti di velocità, lo spessore dello strato di assorbimento può essere reso molto sottile e l'efficienza quantistica dell'elettrone aumenta dopo diverse riflessioni.
(6) Struttura della guida d'onda accoppiata ai bordi (WG-APD)
Un'altra soluzione per risolvere la contraddizione tra i diversi effetti dello spessore dello strato di assorbimento sulla velocità del dispositivo e l'efficienza quantica è quella di introdurre una struttura a guida d'onda accoppiata ai bordi. Questa struttura riceve la luce lateralmente, poiché lo strato di assorbimento è molto lungo, consentendo di ottenere facilmente un'elevata efficienza quantica e, allo stesso tempo, di ottenere uno strato di assorbimento molto sottile, riducendo il tempo di transito dei portatori. Pertanto, questa struttura risolve la diversa dipendenza della larghezza di banda e dell'efficienza dallo spessore dello strato di assorbimento e si prevede che consenta di ottenere un'elevata velocità ed efficienza quantica di APD. Il processo di WG-APD è più semplice di quello di RCE APD, eliminando il complicato processo di preparazione dello specchio DBR. Pertanto, è più fattibile in ambito pratico e adatto per connessioni ottiche a piano comune.
3. Conclusion
Lo sviluppo delle valanghefotodiodomateriali e dispositivi viene esaminato. Le velocità di ionizzazione per collisione di elettroni e lacune dei materiali InP sono prossime a quelle di InAlAs, il che porta al doppio processo dei due simbioni portatori, che allunga il tempo di formazione della valanga e aumenta il rumore. Rispetto ai materiali InAlAs puri, le strutture a pozzo quantico InGaAs (P)/InAlAs e In(Al)GaAs/InAlAs presentano un rapporto più elevato tra i coefficienti di ionizzazione per collisione, quindi le prestazioni in termini di rumore possono essere notevolmente modificate. In termini di struttura, vengono sviluppate la struttura SAGCM potenziata da risonatore (RCE) e la struttura a guida d'onda accoppiata ai bordi (WG-APD) al fine di risolvere le contraddizioni derivanti dai diversi effetti dello spessore dello strato di assorbimento sulla velocità del dispositivo e sull'efficienza quantistica. A causa della complessità del processo, la piena applicazione pratica di queste due strutture necessita di ulteriori approfondimenti.
Data di pubblicazione: 14-11-2023