Résumé : La structure de base et le principe de fonctionnement d'un photodétecteur à avalanche (photodétecteur APD) sont présentés, le processus d'évolution de la structure du dispositif est analysé, l'état actuel de la recherche est résumé et le développement futur de l'APD est étudié de manière prospective.
1. Introduction
Un photodétecteur est un dispositif qui convertit les signaux lumineux en signaux électriques.photodétecteur à semi-conducteurLorsqu'une photodiode PIN génère un porteur photo-induit, excité par un photon incident, il pénètre dans le circuit externe sous l'effet d'une tension de polarisation appliquée et forme un photocourant mesurable. Même à sa sensibilité maximale, une photodiode PIN ne peut produire qu'une seule paire électron-trou, ce qui en fait un dispositif sans gain interne. Pour une sensibilité accrue, on utilise une photodiode à avalanche (APD). L'amplification du photocourant par l'APD repose sur l'effet de collision par ionisation. Dans certaines conditions, les électrons et les trous accélérés acquièrent suffisamment d'énergie pour entrer en collision avec le réseau cristallin et former une nouvelle paire électron-trou. Ce processus constitue une réaction en chaîne : la paire électron-trou générée par l'absorption de la lumière peut ainsi produire un grand nombre de paires électron-trou et générer un photocourant secondaire important. L'APD présente donc une sensibilité et un gain interne élevés, ce qui améliore le rapport signal/bruit du dispositif. L'APD est principalement utilisée dans les systèmes de communication par fibre optique longue distance ou de faible puissance, lorsque la puissance optique reçue est limitée. À l'heure actuelle, de nombreux experts en dispositifs optiques sont très optimistes quant aux perspectives de la photodiode à avalanche (APD) et estiment que la recherche sur l'APD est nécessaire pour renforcer la compétitivité internationale des domaines connexes.
2. Développement technique dephotodétecteur d'avalanche(Photodétecteur APD)
2.1 Matériaux
(1)photodétecteur Si
La technologie des matériaux Si est une technologie mature largement utilisée dans le domaine de la microélectronique, mais elle ne convient pas à la fabrication de dispositifs dans la gamme de longueurs d'onde de 1,31 mm et 1,55 mm généralement acceptée dans le domaine des communications optiques.
(2)Ge
Bien que la réponse spectrale des photodiodes à avalanche au germanium (Ge) soit adaptée aux exigences de faibles pertes et de faible dispersion pour la transmission par fibre optique, leur fabrication présente des difficultés considérables. De plus, le rapport des taux d'ionisation des électrons et des trous du germanium étant proche de 1, il est difficile de réaliser des photodiodes à avalanche performantes.
(3)In0,53Ga0,47As/InP
Le choix de l'In0,53Ga0,47As comme couche absorbante de la lumière d'une APD et de l'InP comme couche multiplicatrice constitue une méthode efficace. L'In0,53Ga0,47As présente un pic d'absorption à 1,65 µm, 1,31 µm et 1,55 µm, avec un coefficient d'absorption élevé d'environ 10⁴ cm⁻¹, ce qui en fait actuellement le matériau de choix pour la couche absorbante des photodétecteurs.
(4)photodétecteur InGaAs/Dansphotodétecteur
En utilisant l'InGaAsP comme couche absorbante et l'InP comme couche multiplicatrice, il est possible de réaliser une photodiode à avalanche (APD) présentant une longueur d'onde de réponse de 1 à 1,4 mm, un rendement quantique élevé, un faible courant d'obscurité et un gain d'avalanche important. Le choix de la composition de l'alliage permet d'optimiser les performances pour des longueurs d'onde spécifiques.
(5)InGaAs/InAlAs
Le matériau In0,52Al0,48As possède une bande interdite de 1,47 eV et n'absorbe pas dans la gamme de longueurs d'onde de 1,55 µm. Il a été démontré qu'une fine couche épitaxiale d'In0,52Al0,48As peut présenter de meilleures caractéristiques de gain que l'InP en tant que couche multiplicatrice, dans des conditions d'injection d'électrons purs.
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs et InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
Le taux d'ionisation par impact des matériaux est un facteur important influençant les performances des APD. Les résultats montrent que le taux d'ionisation par collision de la couche multiplicatrice peut être amélioré par l'introduction de structures de superréseau InGaAs(P)/InAlAs et In(Al)GaAs/InAlAs. Grâce à la structure de superréseau, l'ingénierie des bandes permet de contrôler artificiellement la discontinuité asymétrique des bords de bande entre la bande de conduction et la bande de valence, et de garantir que la discontinuité de la bande de conduction est bien supérieure à celle de la bande de valence (ΔEc >> ΔEv). Comparé aux matériaux InGaAs massifs, le taux d'ionisation électronique du puits quantique InGaAs/InAlAs (a) est significativement accru, les électrons et les trous acquérant une énergie supplémentaire. Du fait de ΔEc >> ΔEv, on peut s'attendre à ce que l'énergie acquise par les électrons augmente le taux d'ionisation électronique bien plus que la contribution de l'énergie des trous à ce taux (b). Le rapport (k) entre le taux d'ionisation des électrons et celui des trous augmente. Par conséquent, l'utilisation de structures à superréseau permet d'obtenir un produit gain-bande passante (GBW) élevé et un faible niveau de bruit. Cependant, cette photodiode à avalanche (APD) à puits quantique InGaAs/InAlAs, bien qu'elle permette d'accroître la valeur de k, est difficilement applicable aux récepteurs optiques. En effet, le facteur multiplicateur, qui influe sur la sensibilité maximale, est limité par le courant d'obscurité et non par le bruit du multiplicateur. Dans cette structure, le courant d'obscurité est principalement dû à l'effet tunnel de la couche de puits InGaAs à bande interdite étroite. L'introduction d'un alliage quaternaire à large bande interdite, tel que InGaAsP ou InAlGaAs, à la place d'InGaAs dans la couche de puits quantique, permet de réduire le courant d'obscurité.
Date de publication : 13 novembre 2023