Il principio e la situazione attuale difotorivelatore da valanga (Fotorivelatore APD) Seconda parte
2.2 Struttura del chip APD
Una struttura ragionevole del chip è la garanzia fondamentale di dispositivi ad alte prestazioni.Il progetto strutturale dell'APD considera principalmente la costante di tempo RC, la cattura dei fori nell'eterogiunzione, il tempo di transito della portante attraverso la regione di esaurimento e così via.Lo sviluppo della sua struttura è riassunto di seguito:
(1) Struttura di base
La struttura APD più semplice è basata 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 elettroni secondari e lacune coppie, in modo da realizzare l'amplificazione della fotocorrente primaria.Per i materiali della serie InP, poiché il coefficiente di ionizzazione per impatto delle lacune è maggiore del coefficiente di ionizzazione per impatto degli elettroni, la regione di guadagno del drogaggio di tipo N è solitamente posizionata nella regione P.In una situazione ideale, nella regione di guadagno vengono iniettati solo fori, quindi questa struttura è chiamata struttura a iniezione di fori.
(2) Si distinguono assorbimento e guadagno
A causa delle caratteristiche di ampio gap di banda di InP (InP è 1,35 eV e InGaAs è 0,75 eV), InP viene solitamente utilizzato come materiale della zona di guadagno e InGaAs come materiale della zona di assorbimento.
(3) Vengono proposte rispettivamente le strutture di assorbimento, gradiente e guadagno (SAGM).
Attualmente, la maggior parte dei dispositivi APD commerciali utilizza materiale InP/InGaAs, InGaAs come strato di assorbimento, InP sotto campo elettrico elevato (>5x105 V/cm) senza guasti, può essere utilizzato come materiale per la zona di guadagno.Per questo materiale, la progettazione di questo APD prevede che il processo di valanga si formi nell'InP di tipo N dalla collisione di fori.Considerando la grande differenza nel gap di banda tra InP e InGaAs, la differenza di livello energetico di circa 0,4 eV nella banda di valenza fa sì che i fori generati nello strato di assorbimento di InGaAs siano ostruiti sul bordo dell'eterogiunzione prima di raggiungere lo strato moltiplicatore di InP e la velocità è notevolmente ridotto, con conseguente tempo di risposta lungo e larghezza di banda ristretta 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, nel design del dispositivo viene introdotto lo strato di carica, che migliora notevolmente la velocità e la reattività del dispositivo.
(5) Struttura SAGCM potenziata dal risonatore (RCE).
Nella progettazione ottimale dei rivelatori tradizionali sopra descritta, dobbiamo affrontare il fatto che lo spessore dello strato di assorbimento è un fattore contraddittorio per la velocità del dispositivo e l'efficienza quantistica.Il sottile spessore dello strato assorbente può ridurre il tempo di transito della portante, consentendo così di ottenere un'ampia larghezza di banda.Allo stesso tempo, però, per ottenere una maggiore efficienza quantica, lo strato di assorbimento deve avere uno spessore sufficiente.La soluzione a questo problema può essere la struttura della cavità risonante (RCE), ovvero il riflettore di Bragg distribuito (DBR) è progettato nella parte inferiore e superiore del dispositivo.Lo specchio DBR è costituito da due tipi di materiali con una struttura a basso indice di rifrazione e ad alto indice di rifrazione, i due crescono alternativamente e lo spessore di ciascuno strato incontra la lunghezza d'onda della luce incidente per 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 al bordo (WG-APD)
Un'altra soluzione per risolvere la contraddizione dei diversi effetti dello spessore dello strato di assorbimento sulla velocità del dispositivo e sull'efficienza quantistica è introdurre una struttura di guida d'onda accoppiata ai bordi.Questa struttura entra nella luce lateralmente, poiché lo strato di assorbimento è molto lungo, è facile ottenere un'elevata efficienza quantica e, allo stesso tempo, lo strato di assorbimento può essere reso molto sottile, riducendo il tempo di transito del portatore.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 un'APD ad alta velocità ed elevata efficienza quantica.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 campo pratico e adatto per la connessione ottica sul piano comune.
3. Conclusione
Lo sviluppo delle valanghefotorivelatoremateriali e dispositivi vengono esaminati.I tassi di ionizzazione per collisione di elettroni e lacune dei materiali InP sono vicini a quelli di InAlAs, il che porta al doppio processo dei due simbioni di portatori, che allunga il tempo di formazione della valanga e aumenta il rumore.Rispetto ai materiali InAlAs puri, le strutture dei pozzi quantici InGaAs (P) /InAlAs e In (Al) GaAs/InAlAs hanno un rapporto maggiore dei coefficienti di ionizzazione delle collisioni, quindi le prestazioni del rumore possono essere notevolmente modificate.In termini di struttura, la struttura SAGCM potenziata dal risonatore (RCE) e la struttura della guida d'onda accoppiata ai bordi (WG-APD) sono sviluppate per risolvere le contraddizioni dei 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 deve essere ulteriormente esplorata.
Orario di pubblicazione: 14 novembre 2023