Le principe et la situation actuelle dephotodétecteur d'avalanche (Photodétecteur APD) Deuxième partie
2.2 Structure des puces APD
La structure des puces raisonnables est la garantie de base des appareils haute performance. La conception structurelle de l'APD considère principalement la constante de temps RC, la capture des trous à l'hétérojonction, le temps de transit du porte-avions à travers la région de déplétion et ainsi de suite. Le développement de sa structure est résumé ci-dessous:
(1) Structure de base
La structure APD la plus simple est basée sur la photodiode de la broche, la région P et la région N sont fortement dopées, et la région de type N de type N ou de type P est introduite dans la région P adjacente ou la région N pour générer des électrons secondaires et des paires de trous, afin de réaliser l'amplification de la photocurrents primaire. Pour les matériaux de la série INP, comme le coefficient d'ionisation d'impact des trous est supérieur au coefficient d'ionisation d'impact électronique, la région de gain du dopage de type N est généralement placée dans la région P. Dans une situation idéale, seuls les trous sont injectés dans la région de gain, donc cette structure est appelée structure injectée de trou.
(2) l'absorption et le gain se distinguent
En raison des caractéristiques de bande interdite larges de l'INP (INP est de 1,35 EV et Ingaas est de 0,75ev), INP est généralement utilisé comme matériau de la zone de gain et ingaas comme matériau de la 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 champ électrique élevé (> 5x105v / 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 est formé dans l'INP de type N par la collision des trous. Compte tenu de la grande différence dans la bande interdite entre INP et Ingaas, la différence de niveau d'énergie d'environ 0,4EV dans la bande de valence rend les trous générés dans la couche d'absorption d'Ingaas obstruée au bord de l'hétérojonction avant d'atteindre la couche multiplicateur InP et la vitesse est considérablement réduite, ce qui entraîne un long temps de réponse et une bande passante étroite de cette 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 de 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 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 de l'appareil et l'efficacité quantique. L'épaisseur mince de la couche absorbante peut réduire le temps de transit du porte-avions, de sorte qu'une grande bande passante peut être obtenue. Cependant, en même temps, afin d'obtenir une efficacité quantique plus élevée, la couche d'absorption doit avoir une épaisseur suffisante. La solution à ce problème peut être la structure de la cavité résonante (RCE), c'est-à-dire que le réflecteur Bragg distribué (DBR) est conçu en bas et en haut de l'appareil. Le miroir DBR se compose de deux types de matériaux avec un faible indice de réfraction et un indice de réfraction élevé dans la structure, et les deux se développent alternativement, et l'épaisseur de chaque couche rencontre la longueur d'onde de 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 mince et l'efficacité quantique de l'électron est augmentée après plusieurs réflexions.
(6) Structure de guide d'onde couplé à bord (WG-APD)
Une autre solution pour résoudre la contradiction des différents effets de l'épaisseur de la couche d'absorption sur la vitesse de l'appareil et l'efficacité quantique consiste à introduire la structure du guide d'onde couplé à bord. Cette structure pénètre la lumière du 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 mince, réduisant le temps de transit du porte-avions. Par conséquent, cette structure résout les différentes dépendances de la bande passante et de l'efficacité sur l'épaisseur de la couche d'absorption, et devrait atteindre un taux élevé et une efficacité quantique élevée APD. Le processus de WG-APD est plus simple que celui de RCE APD, ce qui élimine le processus de préparation compliqué du miroir DBR. Par conséquent, il est plus réalisable dans le champ pratique et adapté à la connexion optique du plan commune.
3. Conclusion
Le développement de l'avalanchephotodétecteurLe matériel et les appareils sont examinés. Les taux d'ionisation de collision d'électrons et de trous des matériaux INP sont proches de ceux d'Inalas, ce qui conduit au double processus des deux symbions porteurs, ce qui rend le temps de construction d'avalanche plus long et le bruit a augmenté. Par rapport aux matériaux d'inalas purs, les ingaas (p) / inalas et dans (Al) GaAs / Inalas Quantum Les structures ont un rapport accru des coefficients d'ionisation de collision, de sorte que les performances du bruit peuvent être considérablement modifiées. En termes de structure, la structure SAGCM améliorée par résonateur (RCE) et la structure du guide d'onde couplé à 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.
Heure du poste: 14 novembre 2023