Le principe et la situation actuelle du photodétecteur d'avalanche (photodétecteur APD) Deuxième partie

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 de base des appareils hautes performances. La conception structurelle de l'APD prend principalement en compte la constante de temps RC, la capture des trous à l'hétérojonction, le temps de transit du porteur à travers la région d'appauvrissement, etc. L’évolution de sa structure est résumée ci-dessous :

(1) Structure de base
La structure APD la plus simple est basée sur la photodiode PIN, la région P et la région 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 trous. paires, de manière à réaliser l'amplification du photocourant primaire. Pour les matériaux de la série InP, étant donné que le coefficient d'ionisation par impact des trous est supérieur au coefficient d'ionisation par impact électronique, la région de gain du dopage de type N est généralement placée dans la région P. Dans une situation idéale, seuls des trous sont injectés dans la région de gain, cette structure est donc appelée structure à trous injectés.

(2) On distingue l'absorption et le gain
En raison des caractéristiques de large bande interdite de l'InP (InP est de 1,35 eV et InGaAs est de 0,75 eV), InP est généralement utilisé comme matériau de zone de gain et InGaAs comme matériau de zone d'absorption.

(3) Les structures d'absorption, de gradient et de gain (SAGM) sont proposées respectivement
À l'heure actuelle, la plupart des dispositifs APD commerciaux utilisent un matériau InP/InGaAs, InGaAs comme couche d'absorption, InP sous un champ électrique élevé (> 5 x 105 V/cm) sans panne, peut être utilisé comme matériau de zone de gain. Pour ce matériau, la conception de cet APD est que le processus d'avalanche se forme dans l'InP de type N par la collision de trous. Compte tenu de la grande différence de bande interdite entre InP et 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 d'InGaAs au bord de l'hétérojonction avant d'atteindre la couche multiplicatrice d'InP et la vitesse est considérablement augmentée. réduit, ce qui entraîne un temps de réponse long et une bande passante étroite de 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 répartition du champ électrique de la couche d'absorption et de la couche de gain, la 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 ci-dessus des détecteurs traditionnels, nous devons faire face au fait que l’épaisseur de la couche d’absorption est un facteur contradictoire pour la vitesse du dispositif et l’efficacité quantique. La fine épaisseur de la couche absorbante peut réduire le temps de transit du porteur, ce qui permet d'obtenir une large bande passante. Cependant, pour obtenir une efficacité quantique plus élevée, la couche d’absorption doit avoir une épaisseur suffisante. La solution à ce problème peut être la structure à cavité résonante (RCE), c'est-à-dire que le réflecteur de Bragg distribué (DBR) est conçu en bas et en haut de l'appareil. Le miroir DBR se compose de deux types de matériaux avec une structure à faible indice de réfraction et à indice de réfraction élevé, et les deux grandissent alternativement, et l'épaisseur de chaque couche correspond à la longueur d'onde de la lumière incidente 1/4 dans le semi-conducteur. La structure du résonateur du détecteur peut répondre aux exigences de vitesse, l'épaisseur de la couche d'absorption peut être rendue très fine et l'efficacité quantique de l'électron est augmentée après plusieurs réflexions.

(6) Structure de guide d'ondes couplée aux bords (WG-APD)
Une autre solution pour résoudre la contradiction des 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 bords. Cette structure pénètre dans la lumière par le côté, car la couche d'absorption est très longue, il est facile d'obtenir une efficacité quantique élevée et, en même temps, la couche d'absorption peut être rendue très fine, réduisant ainsi le temps de transit du porteur. Par conséquent, cette structure résout la dépendance différente de la bande passante et de l’efficacité par rapport à l’épaisseur de la couche d’absorption, et devrait permettre d’atteindre un APD à haut débit et à haute efficacité quantique. Le processus de WG-APD est plus simple que celui de RCE APD, ce qui élimine le processus compliqué de préparation du miroir DBR. Par conséquent, il est plus réalisable dans le domaine pratique et convient à une connexion optique à plan commun.

3. Conclusion
Le développement des avalanchesphotodétecteurles matériaux et les appareils sont examinés. Les taux d'ionisation par collision d'électrons et de trous des matériaux InP sont proches de ceux de InAlAs, ce qui conduit au double processus des deux symbions porteurs, ce qui allonge le temps de formation de l'avalanche et augmente le bruit. Par rapport aux matériaux InAlAs purs, les structures de puits quantiques InGaAs (P) /InAlAs et In (Al) GaAs/InAlAs ont un rapport accru de coefficients d'ionisation de collision, de sorte que les performances de bruit peuvent être considérablement modifiées. En termes de structure, la structure SAGCM améliorée par résonateur (RCE) et la structure de guide d'ondes couplée aux bords (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 en détail.