Il principio e la situazione attuale difotorivelatore di valanghe (Fotorivelatore APDParte seconda
2.2 Struttura del chip APD
Una struttura del chip ben progettata è la garanzia fondamentale per dispositivi ad alte prestazioni. La progettazione strutturale degli APD considera principalmente la costante di tempo RC, la cattura delle lacune all'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, in cui le regioni P e N sono fortemente drogate e una regione a doppia repulsione di tipo N o P viene introdotta nelle regioni P o N adiacenti per generare coppie di elettroni e lacune secondarie, in modo da realizzare l'amplificazione della fotocorrente primaria. Per i materiali della serie InP, poiché il coefficiente di ionizzazione da impatto delle lacune è maggiore del coefficiente di ionizzazione da impatto degli elettroni, la regione di guadagno con 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) L'assorbimento e il guadagno si distinguono
Grazie all'ampio band gap dell'InP (1,35 eV per l'InP e 0,75 eV per l'InGaAs), l'InP viene solitamente utilizzato come materiale della zona di guadagno e l'InGaAs come materiale della zona di assorbimento.
(3) Le strutture di assorbimento, gradiente e guadagno (SAGM) sono proposte rispettivamente
Attualmente, la maggior parte dei dispositivi APD commerciali utilizza materiale InP/InGaAs, dove l'InGaAs funge da strato di assorbimento e l'InP, sottoposto ad un campo elettrico elevato (>5x10⁵ V/cm) senza rottura, può essere utilizzato come materiale della zona di guadagno. Per questo materiale, la progettazione di questo APD prevede che il processo a valanga si formi nell'InP di tipo N a seguito della collisione delle lacune. Considerando la grande differenza di 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 di InGaAs vengano ostacolate al bordo dell'eterogiunzione prima di raggiungere lo strato moltiplicatore di InP, riducendo notevolmente la velocità e determinando un tempo di risposta lungo e una larghezza di banda ristretta per questo APD. Questo problema può essere risolto aggiungendo uno strato di transizione InGaAsP tra i due materiali.
(4) Le strutture di assorbimento, gradiente, carica e guadagno (SAGCM) sono proposte rispettivamente
Al fine di regolare ulteriormente la distribuzione del campo elettrico dello strato di assorbimento e dello strato di guadagno, è stato introdotto uno strato di carica nella progettazione del dispositivo, il che migliora notevolmente la velocità e la reattività del dispositivo.
(5) Struttura SAGCM potenziata dal risonatore (RCE)
Nella progettazione ottimale dei rivelatori tradizionali descritta in precedenza, dobbiamo affrontare il fatto che lo spessore dello strato di assorbimento rappresenta un fattore contraddittorio per la velocità del dispositivo e l'efficienza quantica. Uno strato di assorbimento sottile può ridurre il tempo di transito dei portatori di carica, consentendo di ottenere un'ampia larghezza di banda. Tuttavia, allo stesso tempo, per ottenere una maggiore efficienza quantica, lo strato di assorbimento deve avere uno spessore sufficiente. La soluzione a questo problema può essere la struttura a cavità risonante (RCE), ovvero un riflettore di Bragg distribuito (DBR) progettato nella parte superiore e inferiore del dispositivo. Lo specchio DBR è costituito da due tipi di materiali con indice di rifrazione basso e alto, che crescono alternativamente, e lo spessore di ciascuno strato corrisponde a 1/4 della lunghezza d'onda della luce incidente nel semiconduttore. La struttura a risonatore del rivelatore può soddisfare i requisiti di velocità, lo spessore dello strato di assorbimento può essere reso molto sottile e l'efficienza quantica degli elettroni aumenta dopo diverse riflessioni.
(6) Struttura a guida d'onda accoppiata al bordo (WG-APD)
Un'altra soluzione per risolvere la contraddizione tra i diversi effetti dello spessore dello strato di assorbimento sulla velocità del dispositivo e sull'efficienza quantica è l'introduzione di una struttura a guida d'onda accoppiata lateralmente. Questa struttura fa entrare la luce lateralmente e, poiché lo strato di assorbimento è molto lungo, è facile ottenere un'elevata efficienza quantica. Allo stesso tempo, lo strato di assorbimento può essere reso molto sottile, riducendo il tempo di transito dei portatori di carica. Pertanto, questa struttura risolve la diversa dipendenza della larghezza di banda e dell'efficienza dallo spessore dello strato di assorbimento e si prevede che raggiunga APD ad alta velocità e alta efficienza quantica. Il processo di realizzazione dell'APD a guida d'onda (WG-APD) è più semplice di quello dell'APD a emissione di campo rotante (RCE APD), eliminando il complesso processo di preparazione dello specchio DBR. Pertanto, risulta più fattibile in ambito pratico e adatto alle connessioni ottiche planari comuni.
3. Conclusion
Lo sviluppo della valangafotorivelatoreVengono esaminati i materiali e i dispositivi. I tassi di ionizzazione per collisione di elettroni e lacune dei materiali InP sono simili a quelli 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 aumentato dei coefficienti di ionizzazione per collisione, pertanto le prestazioni di rumore possono essere notevolmente modificate. In termini di struttura, sono state sviluppate la struttura SAGCM con risonatore potenziato (RCE) e la struttura a guida d'onda accoppiata al bordo (WG-APD) al fine di risolvere le contraddizioni dei diversi effetti dello spessore dello strato di assorbimento sulla velocità del dispositivo e sull'efficienza quantica. Data la complessità del processo, la piena applicazione pratica di queste due strutture necessita di ulteriori approfondimenti.
Data di pubblicazione: 14 novembre 2023