Le principe et la situation actuelle dephotodétecteur d'avalanche (Photodétecteur APD) Deuxième partie
2.2 Structure de la puce APD
Une structure de puce raisonnable est la garantie fondamentale de dispositifs hautes performances. La conception structurelle de l'APD prend principalement en compte la constante de temps RC, la capture de trous à l'hétérojonction, le temps de transit des porteurs dans la zone d'appauvrissement, etc. Le développement de sa structure est résumé ci-dessous :
(1) Structure de base
La structure APD la plus simple repose sur la photodiode PIN. Les régions P et N sont fortement dopées, et la région doublement répulsive de type N ou P est introduite dans la région P ou N adjacente pour générer des électrons secondaires et des paires de trous, amplifiant ainsi le photocourant primaire. Pour les matériaux de la série InP, le coefficient d'ionisation par impact de trous étant supérieur à celui d'ionisation par impact d'électrons, la région de gain du dopage de type N est généralement placée dans la région P. Idéalement, seuls des trous sont injectés dans la région de gain ; cette structure est donc dite à injection de trous.
(2) L'absorption et le gain sont distingués
En raison des caractéristiques de large bande interdite de l'InP (InP est de 1,35 eV et InGaAs est de 0,75 eV), l'InP est généralement utilisé comme matériau de zone de gain et l'InGaAs comme matériau de zone d'absorption.
(3) Les structures d'absorption, de gradient et de gain (SAGM) sont proposées respectivement
Actuellement, la plupart des dispositifs APD commerciaux utilisent un matériau InP/InGaAs. L'InGaAs sert de couche d'absorption. L'InP, sous un champ électrique élevé (> 5 x 105 V/cm) sans claquage, peut être utilisé comme matériau de zone de gain. Pour ce matériau, la conception de cet APD repose sur la formation d'avalanche dans l'InP de type N par collision de trous. Compte tenu de la grande différence de bande interdite entre l'InP et l'InGaAs, la différence de niveau d'énergie d'environ 0,4 eV dans la bande de valence obstrue les trous générés dans la couche d'absorption InGaAs au bord de l'hétérojonction avant d'atteindre la couche multiplicatrice InP. La vitesse est considérablement réduite, ce qui entraîne un temps de réponse long et une bande passante étroite pour cet APD. Ce problème peut être résolu en ajoutant une couche de transition InGaAsP entre les deux matériaux.
(4) Les structures d'absorption, de gradient, de charge et de gain (SAGCM) sont proposées respectivement
Afin d'ajuster davantage la distribution du champ électrique de la couche d'absorption et de la couche de gain, la couche de charge est introduite dans la conception de l'appareil, ce qui améliore considérablement la vitesse et la réactivité de l'appareil.
(5) Structure SAGCM améliorée par résonateur (RCE)
Dans la conception optimale des détecteurs traditionnels, il faut tenir compte du fait que l'épaisseur de la couche d'absorption est un facteur contradictoire entre la vitesse du dispositif et l'efficacité quantique. Une fine épaisseur de la couche absorbante peut réduire le temps de transit des porteurs, permettant ainsi d'obtenir une large bande passante. Cependant, pour obtenir une efficacité quantique supérieure, la couche d'absorption doit être suffisamment épaisse. La solution à ce problème réside dans la structure à cavité résonante (RCE), c'est-à-dire la conception d'un réflecteur de Bragg distribué (DBR) en partie inférieure et supérieure du dispositif. Le miroir DBR est composé de deux types de matériaux à faible et à haut indices de réfraction, dont la croissance alterne, l'épaisseur de chaque couche correspondant à la longueur d'onde incidente du semi-conducteur. La structure du résonateur du détecteur permet de répondre aux exigences de vitesse, l'épaisseur de la couche d'absorption peut être très fine et l'efficacité quantique de l'électron est augmentée après plusieurs réflexions.
(6) Structure de guide d'ondes à couplage de bord (WG-APD)
Une autre solution pour résoudre la contradiction entre les différents effets de l'épaisseur de la couche d'absorption sur la vitesse du dispositif et l'efficacité quantique consiste à introduire une structure de guide d'ondes à couplage de bord. Cette structure pénètre la lumière latéralement ; grâce à sa très grande longueur, elle permet d'obtenir facilement une efficacité quantique élevée. Parallèlement, elle peut être très fine, réduisant ainsi le temps de transit des porteurs. Par conséquent, cette structure résout la différence de dépendance entre la bande passante et l'efficacité selon l'épaisseur de la couche d'absorption, et devrait permettre d'obtenir une APD à haut débit et à haut rendement quantique. Le procédé de WG-APD est plus simple que celui de RCE APD, ce qui élimine la préparation complexe du miroir DBR. Il est donc plus facilement réalisable en pratique et adapté aux connexions optiques en plan commun.
3. Conclusion
Le développement des avalanchesphotodétecteurLes matériaux et dispositifs sont passés en revue. Les taux d'ionisation par collision d'électrons et de trous des matériaux InP sont proches de ceux de l'InAlAs, ce qui conduit au double processus des deux symbiotes porteurs, ce qui allonge le temps de formation d'avalanche et augmente le bruit. Comparées aux matériaux InAlAs purs, les structures à puits quantiques InGaAs(P)/InAlAs et In(Al)GaAs/InAlAs présentent un rapport accru des coefficients d'ionisation par collision, ce qui permet de modifier considérablement les performances en matière de bruit. En termes de structure, une structure SAGCM améliorée par résonateur (RCE) et une structure de guide d'ondes à couplage de bord (WG-APD) sont développées afin de résoudre les contradictions des différents effets de l'épaisseur de la couche d'absorption sur la vitesse du dispositif et l'efficacité quantique. En raison de la complexité du processus, l'application pratique complète de ces deux structures doit être explorée plus avant.
Date de publication : 14 novembre 2023