Le principe et la situation actuelle dephotodétecteur d'avalanche (photodétecteur APDDeuxième partie
2.2 Structure de la puce APD
Une structure de puce optimisée est essentielle pour garantir les hautes performances des dispositifs. La conception structurelle d'une photodiode à avalanche (APD) prend principalement en compte la constante de temps RC, la capture des trous à l'hétérojonction, le temps de transit des porteurs à travers la zone de déplétion, etc. Son évolution est résumée ci-dessous :
(1) Structure de base
La structure APD la plus simple est basée sur la photodiode PIN. Les régions P et N sont fortement dopées, et une région doublement répulsive de type N ou P est introduite dans la région P ou N adjacente afin de générer des paires électron-trou secondaires et d'amplifier ainsi le photocourant primaire. Pour les matériaux de la série InP, le coefficient d'ionisation par impact des trous étant supérieur à celui des électrons, la région amplificatrice dopée de type N est généralement placée dans la région P. Dans des conditions idéales, seuls des trous sont injectés dans la région amplificatrice ; cette structure est donc qualifiée de structure à injection de trous.
(2) On distingue l'absorption et le gain
En raison des caractéristiques de large bande interdite de l'InP (1,35 eV pour l'InP et 0,75 eV pour l'InGaAs), 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 photodiodes à avalanche (APD) commerciales utilisent un matériau InP/InGaAs. L'InGaAs sert de couche d'absorption, tandis que l'InP, sous champ électrique élevé (> 5 × 10⁵ V/cm), peut être utilisé comme matériau de zone active. Dans ce type d'APD, le processus d'avalanche se forme 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 (environ 0,4 eV dans la bande de valence), les trous générés dans la couche d'absorption InGaAs sont bloqués au niveau de l'hétérojonction avant d'atteindre la couche multiplicatrice InP, ce qui réduit considérablement leur vitesse et entraîne un temps de réponse long et une bande passante étroite. L'ajout d'une couche de transition InGaAsP entre les deux matériaux permet de résoudre ce problème.
(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, une couche de charge est introduite dans la conception du dispositif, ce qui améliore considérablement la vitesse et la réactivité du dispositif.
(5) Structure SAGCM améliorée par résonateur (RCE)
Dans la conception optimale des détecteurs traditionnels, il est nécessaire de prendre en compte le fait que l'épaisseur de la couche d'absorption est un facteur contradictoire entre la vitesse du dispositif et son rendement quantique. Une faible épaisseur de cette couche permet de réduire le temps de transit des porteurs et d'obtenir ainsi une large bande passante. Cependant, pour atteindre un rendement quantique élevé, une épaisseur suffisante est requise. La structure à cavité résonante (RCE), intégrant un réflecteur de Bragg distribué (DBR) en partie inférieure et supérieure du dispositif, constitue une solution à ce problème. Le miroir DBR est composé de deux matériaux, l'un à faible indice de réfraction et l'autre à indice de réfraction élevé, disposés en alternance. L'épaisseur de chaque couche correspond à un quart de la longueur d'onde de la lumière incidente dans le semi-conducteur. Cette structure résonante permet de répondre aux exigences de vitesse, de réduire considérablement l'épaisseur de la couche d'absorption et d'améliorer le rendement quantique des électrons après plusieurs réflexions.
(6) Structure de guide d'ondes à couplage de bord (WG-APD)
Une autre solution pour résoudre la contradiction entre l'influence de l'épaisseur de la couche d'absorption sur la vitesse et le rendement quantique du dispositif consiste à utiliser une structure de guide d'ondes à couplage latéral. Cette structure, où la lumière pénètre latéralement, permet, grâce à la grande longueur de la couche d'absorption, d'obtenir un rendement quantique élevé. Parallèlement, cette couche peut être très mince, réduisant ainsi le temps de transit des porteurs. Cette structure résout donc le problème de la dépendance de la bande passante et du rendement à l'épaisseur de la couche d'absorption et devrait permettre de réaliser des APD à haut débit et à haut rendement quantique. Le procédé de fabrication des APD à guide d'ondes est plus simple que celui des APD à couplage latéral, car il élimine la complexité de la préparation des miroirs DBR. De ce fait, il est plus facilement applicable et convient aux connexions optiques à plan commun.
3. Conclusion
Le développement des avalanchesphotodétecteurCet article passe en revue les matériaux et dispositifs utilisés. Les taux d'ionisation par collision des électrons et des trous dans les matériaux InP sont proches de ceux des matériaux InAlAs, ce qui induit un double processus impliquant les deux types de porteurs. Ce processus allonge le temps de formation de l'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 de coefficients d'ionisation par collision plus élevé, ce qui peut modifier considérablement les performances en matière de bruit. Concernant la structure, une structure SAGCM à résonateur amélioré (RCE) et une structure à guide d'ondes à couplage de bord (WG-APD) ont été développées afin de résoudre les contradictions liées aux différents effets de l'épaisseur de la couche d'absorption sur la vitesse et le rendement quantique du dispositif. Compte tenu de la complexité du procédé, l'application pratique de ces deux structures nécessite d'être approfondie.
Date de publication : 14 novembre 2023