葉余杰，柯少穎，吳金鏞，李 成，陳松巖

(廈門大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005)

1 引 言

近些年來，由于光通信與量子通信的不斷發(fā)展，近紅外通信波段的弱光探測成為了研究熱點(diǎn)。具有高內(nèi)增益與外量子效率的半導(dǎo)體雪崩探測器(Avalanche Photodiode,APD)被認(rèn)為是有希望實現(xiàn)低損耗，高效率的弱光探測的半導(dǎo)體探測器件，可廣泛應(yīng)用于光電通訊、生物檢測、化學(xué)分析等各方面[1-6]。

近年來，關(guān)于Ⅲ～Ⅴ族半導(dǎo)體材料APD的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，例如InP/InGaAs[7-9]和InGaAs/InAlAs[10-11]APD等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在近紅外波段(主要是1 310 nm和1 550 nm波長)的探測中。然而，這些Ⅲ～Ⅴ族APD被較大的(指接近1)的空穴電子離化率比(k值)導(dǎo)致的較大過剩噪聲所限制，很難進(jìn)一步提升器件特性。鍺材料制備的APD在近紅外通信波段的探測能力也受到廣泛關(guān)注[12-13]，但是由于過大的暗電流以及接近1的空穴電子離化率比，使其無法作為倍增層材料。另一種IV族元素硅則具有很低的k值(<0.1)，并且具有很好的暗電流以及倍增特性，使得硅被認(rèn)為是一種很合適的倍增材料。但是硅材料不吸收近紅外波段的光信號，純硅APD探測器也無法滿足通信需求。因此為了結(jié)合Ge、Si兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，以Ge為吸收層，Si為倍增層制備的分離的吸收電荷倍增多層(Separate Absorption Charge Multiplication,SACM)結(jié)構(gòu)成為了現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，并被認(rèn)為是有希望實現(xiàn)高效近紅外弱光探測的器件。

傳統(tǒng)的Ge/Si光電器件通常由外延生長的方法制備，盡管這種方法已經(jīng)發(fā)展了很多年，但依然存在由Ge、Si材料間4.2%的晶格失配導(dǎo)致的外延Ge區(qū)域高穿透位錯的問題[14-15]。從而使噪聲較嚴(yán)重與暗電流特性較差。本課題組前期研究了一種有潛力的利用非晶鍺(a-Ge)作為中間層實現(xiàn)Si/Si、Ge/Si低溫鍵合的方法[16-18]。這種技術(shù)能夠?qū)⒏哔|(zhì)量的體鍺材料轉(zhuǎn)移到硅襯底上，實現(xiàn)高性能硅基鍺光電子器件的制備。

另外，傳統(tǒng)的縱向SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD通常不能達(dá)到很高的帶寬[19-21]，這是由于在Ge吸收層中電場強(qiáng)度較低，導(dǎo)致載流子渡越時間較長，從而降低了3dB帶寬。對于這一問題，減少Ge層厚度可以有效提升器件的頻率響應(yīng)特性，然而減少Ge層厚度會使整體電場上升，進(jìn)而導(dǎo)致本征Ge吸收層中的電場過大，引起APD提前擊穿。綜上所述，現(xiàn)在的Ge/Si APD面臨著要降低暗電流以及提高頻率響應(yīng)兩個問題。

本文設(shè)計了一種新的基于無氧化層Ge/Si鍵合界面的橫向吸收層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了一種特殊的電場分布，其包括橫向電場(橫向收集)與傳統(tǒng)縱向電場(縱向雪崩)。通過添加間隙區(qū)域、調(diào)整摻雜濃度，邊緣電場得到了很好的調(diào)控，并且提升了載流子的輸運(yùn)速度。優(yōu)化后，得到了接近20 GHz的高3 dB帶寬以及較低的暗電流。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與模擬參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1(a)為本文設(shè)計的橫向吸收結(jié)構(gòu)鍺硅APD。它主要由一塊SOI與Ge材料鍵合制得。首先在N型摻雜的頂層Si層上離子注入形成一層100 nm左右的p型區(qū)作為電荷層，再與體Ge材料一起濺射2 nm厚度的a-Ge進(jìn)行鍵合制得鍺硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對Ge層利用smart-cut技術(shù)減薄后，進(jìn)行光刻與刻蝕得到臺面結(jié)構(gòu)，最后通過離子注入形成高摻接觸層得到器件結(jié)構(gòu)。在仿真模擬中，將鍵合結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量看作單晶體材料質(zhì)量，設(shè)置為無穿透位錯。本文也模擬了相同臺面結(jié)構(gòu)的縱向APD進(jìn)行對比，其利用低高溫兩步法在Si襯底上外延生長Ge材料制備得到，因此模擬仿真時在Ge/Si界面處設(shè)置了100 nm的高位錯低溫Ge層(位錯密度1016cm-3)，其上為低缺陷的高質(zhì)量Ge層(位錯密度1012cm-3)，如圖1(b)所示。兩者入光面積相同，輸入光也相同，都為1 310 nm波長，-30 dBm(1 μW)總光功率。

圖1 (a)橫向吸收結(jié)構(gòu)與(b)傳統(tǒng)縱向SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Schematic diagrams of the (a)lateral-collection Ge/Si APD and (b)traditional vertical SACM Ge/Si APD

2.2 模擬參數(shù)

本文主要采用了TCAD Silvaco商用軟件的atlas模塊對APD器件性能進(jìn)行仿真模擬，本工作中半導(dǎo)體光電特性方面的模擬主要基于對3個經(jīng)典方程(泊松方程，連續(xù)性方程，以及輸運(yùn)方程)的運(yùn)算。在本文模擬工作中，當(dāng)需要計算溫度依賴方程時，溫度(T)統(tǒng)一被設(shè)定為300 K(室溫)。響應(yīng)度(R)被定義為I(g=1)/P，I代表光電流，g代表增益，P代表光功率。3 dB帶寬被定義為10×log10(If/IM)，If代表光電流作為響應(yīng)頻率的函數(shù)，IM代表最大光電流。Ge/Si APD的雪崩模擬基于Selberherr′s碰撞電離模型[22]。電子和空穴的離化率用以下方程表達(dá)：

an=ANexp[-(BN/E)BETAN] ，

(1)

ap=APexp[-(BP/E)BETAP] ，

(2)

式中，AN、AP是和晶格溫度有關(guān)的參數(shù)，而BN、BP是和禁帶寬度以及光聲子平均自由程有關(guān)的參數(shù)，E是電場強(qiáng)度。對于硅材料，當(dāng)E<4×105V/cm時，AN=7.03×105cm-1，AP=1.58×106cm-1，BN=1.231×106cm-1，BP=2.036×106cm-1。 當(dāng)E≥4×105V/cm，AN=7.03×105cm-1，AP=6.71×105cm-1，BN=1.231×106cm-1，BP=1.693×106cm-1[22]。對于鍺材料，AN=1.55×107cm-1，AP=1×107cm-1，BN=1.56×106cm-1，BP=1.28×106cm-1[22]。BETAN(βn)和BETAP(βp)都被設(shè)為1。硅材料中的電子和空穴飽和漂移速度被分別設(shè)置為1×107和7×106cm/s，鍺材料中的電子和空穴飽和漂移速度被分別設(shè)置為7×106和6.3×106cm/s。[23]

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 Gap區(qū)域的添加

為了在橫向收集結(jié)構(gòu)Ge/Si APD中得到均勻分布的電場，并實現(xiàn)有效的近紅外波段的吸收與雪崩倍增。需要考慮Si倍增層的摻雜濃度，在高摻n-Si與Ge/Si臺面間的Gap區(qū)域以及Si倍增層的厚度。最初的設(shè)計結(jié)構(gòu)參數(shù)和通常的縱向SACM結(jié)構(gòu)類似，只是將高摻電子收集層橫向設(shè)置并減少了Ge層厚度。其電場分布如圖2(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)電場主要分布在Ge臺面區(qū)域的邊緣，且最高強(qiáng)度已經(jīng)超過了3×105V/cm，大大超過了Ge雪崩所需的電場強(qiáng)度，由圖2(c)中的I-V曲線也可以看出，器件由于Ge層中電場過大出現(xiàn)了提前擊穿的現(xiàn)象。這是由于將高摻n+-Si層橫向設(shè)置后，原本縱向SACM結(jié)構(gòu)中的電場平衡被打破，高摻n+-Si與Ge層更加接近，電場也主要由Ge層與n+-Si間形成的p-n結(jié)產(chǎn)生，然而，也由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的邊緣電場效應(yīng)。

圖2 30 V反向偏壓下Ge/Si APD的電場分布圖(線性坐標(biāo))。(a)最早設(shè)計的APD結(jié)構(gòu)，其具有0.5 μm的Si層厚度，摻雜濃度為5×1015 cm-3。(b)在高摻Si層和臺面間添加了1 μm Gap后的器件結(jié)構(gòu)。(c)對應(yīng)的I-V曲線 Fig.2 Electric fields of Ge/Si APDs at 30 V reverse bias in linear coordinates. (a)The original APD with 0.5 μm top Si layer(doping concentration of 5×1015 cm-3), (b)the optimized APD with a gap of 1 μm between the mesa and n+-Si layer, (c)I-V curves

為了改善最初設(shè)計中臺面邊緣嚴(yán)重的邊緣電場效應(yīng)，在臺面與高摻n+-Si之間添加了一個gap區(qū)域，如圖2(b)所示?？梢钥吹?，由于這個gap區(qū)域的加入，臺面邊緣的電場強(qiáng)度得到了極大的削弱。但電場分布依然局限在兩側(cè)，由于沒能在Ge、Si層間形成均勻電場來引發(fā)有效的雪崩倍增，故不能正常工作。究其原因發(fā)現(xiàn)，這是由于Si倍增層是作為本征層模擬的，摻雜濃度只有5×1015cm-3，在p-Si電荷層與Si倍增層間的結(jié)效應(yīng)非常弱，Si倍增層與n+-Si間的結(jié)效應(yīng)也很弱，因此電場不能集中在Si倍增層區(qū)域。

圖3 30 V反向偏壓下不同Si倍增層摻雜濃度的Ge/Si APD的電場分布圖(線性坐標(biāo))。(a)1×1016 cm-3; (b)5×1016 cm-3; (c)1×1017 cm-3; (d)5×1017 cm-3 Fig.3 Electric fields (linear coordinate) of Ge/Si APDs with the doping concentrations of (a)1×1016 cm-3, (b)5×1016 cm-3, (c)1×1017 cm-3, and (d)5×1017 cm-3 at 30 V reverse bias

3.2 Si倍增層的摻雜濃度調(diào)整

根據(jù)上文的分析，嘗試通過改變Si倍增層的摻雜濃度來調(diào)節(jié)APD中各結(jié)效應(yīng)的影響。因此模擬了不同摻雜濃度的Si倍增層對電場分布的影響，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜濃度提升到1×1016cm-3時，由于縱向結(jié)效應(yīng)的提升，電場分布有從兩側(cè)的gap區(qū)域向中間倍增層延伸的趨勢。當(dāng)摻雜濃度提高到5×1016cm-3時，電場不再主要分布于gap區(qū)域，而是在Ge層與Si層間均勻分布，類似傳統(tǒng)的SACM結(jié)構(gòu)中的電場分布。然而，當(dāng)繼續(xù)增加摻雜濃度到1×1017cm-3，Si層中的高電場分布區(qū)域減少，高場區(qū)延伸到Ge層中。最后，當(dāng)摻雜濃度提高到5×1017cm-3時，電場幾乎都集中在Ge層中。

不同摻雜濃度APD對應(yīng)的I-V曲線如圖4(a)所示?？梢姡S著摻雜濃度的提高，雪崩電壓隨之下降，這是由于Ge層中的電場強(qiáng)度提升，導(dǎo)致了Ge層中的載流子碰撞離化，形成提前雪崩。為了對比鍵合方法制備的器件與外延生長制備的器件性能，也模擬了低高溫兩步法鍵合制備的Ge/Si APD[24-25]，發(fā)現(xiàn)相比于外延法生長制備的APD，由于穿透位錯的降低，鍵合法能得到小得多的暗電流，有利于實現(xiàn)高效的近紅外微光探測。

圖4 (a)I-V曲線; (b)0 V偏壓下的器件能帶模擬圖; (c)30 V偏壓下的器件能帶模擬圖 Fig.4 (a)I-V curves, (b)energy band diagrams of devices at 0 V bias, and (c)at 30 V bias with different doping concentration of top Si layer

圖4(b)展示了模擬得到的不同摻雜濃度下的APD能帶圖，可以觀察到電荷層附近存在一個i-p--n-(Ge/Si/Si)雙結(jié)結(jié)構(gòu)。較低摻雜濃度的器件較高摻的器件展現(xiàn)出更高的導(dǎo)帶勢壘(～0.7 eV)，Ge吸收層中的電子很難克服較大的勢壘進(jìn)入倍增層。另外，可以在圖4(c)中看到，對于較低摻雜濃度的器件，即使偏壓升高到30 V，勢壘依然存在，因此中心區(qū)域無法得到高電場，只能被局限在臺面邊緣。圖中也能觀察到，一方面勢壘高度隨著摻雜濃度的提升而下降，這對于載流子輸運(yùn)是有利的；但另一方面Si倍增層中耗盡區(qū)的寬度也會隨著摻雜濃度的提升而減小，這對于載流子的雪崩倍增是不利的，Si倍增層中需要形成一個足夠大、足夠強(qiáng)的電場才能使載流子通過碰撞離化過程倍增產(chǎn)生增益。除此之外，根據(jù)Ge/Si APD中的電場分布[19]，Ge層中的電場也需要一個合適的范圍(10～100 kV/cm)，在保證載流子順利輸運(yùn)的同時，避免發(fā)生碰撞離化而導(dǎo)致暗電流過高。最終，為了取得均勻分布的電場，將摻雜濃度設(shè)定為5×1016cm-3。

3.3 Si倍增層的尺寸影響

當(dāng)確定了摻雜濃度對電場分布的影響后，再對倍增層的尺寸進(jìn)行研究。圖5展示了不同厚度Si層的APD的電場分布及其I-V曲線?？梢钥吹?，當(dāng)Si層的厚度為300 nm時(圖5(a))，Si倍增層的厚度太薄，無法達(dá)到完全耗盡所需的厚度，不能起到調(diào)節(jié)電場分布的作用，其I-V曲線也顯示它不能正常工作。前文圖3(b)中Si層厚度為500 nm，其電場分布的區(qū)域與強(qiáng)度相比于300 nm均有所優(yōu)化，也實現(xiàn)了正常的雪崩倍增。當(dāng)厚度繼續(xù)提升到1 μm時(圖5(b))，Ge層和Si層中的電場都變得更加均勻，呈現(xiàn)一種類SACM結(jié)構(gòu)的電場分布，并且I-V曲線體現(xiàn)出的光響應(yīng)度特性也有所提高。這表明倍增層厚度對于Ge/Si間結(jié)效應(yīng)的增強(qiáng)與電場分布的調(diào)控有積極作用。但當(dāng)厚度繼續(xù)增加，大于1 μm時(圖5(c))，電場分布和I-V曲線均未有明顯變化。這是因為縱向和橫向雙結(jié)的作用區(qū)都主要集中在Ge/Si界面附近，Si倍增層中耗盡區(qū)之外的部分對器件功能影響較小。結(jié)合以上分析，將Si倍增層厚度設(shè)定為1 μm。

圖5 不同厚度Si層電場分布示意圖及其I-V曲線。(a)300 nm；(b)1 μm；(c)1.5 μm(d)I-V曲線 Fig.5 Electric fields(linear coordinate) of Ge/Si APDs with (a)300 nm, (b)1 μm, and (c)1.5 μm thick top Si layer and (d)corresponding I-V curves

另一個可能影響器件性能的倍增層尺寸參數(shù)就是gap區(qū)的寬度。如圖6(a)所示，當(dāng)gap區(qū)寬度為0 μm時，APD中顯示出一種不均勻的電場分布，這是由于Ge臺面靠近高摻N-Si區(qū)會導(dǎo)致APD提前擊穿(這里沒有給出I-V曲線)。直到gap區(qū)的寬度提高到1 μm時，該結(jié)構(gòu)終于避免了提前擊穿，類SACM結(jié)構(gòu)的電場形成，變得可以實現(xiàn)正常雪崩。這表明需要一定的gap寬度從物理距離上削弱高摻N-Si與Ge臺面的pn結(jié)效應(yīng)。而隨著gap寬度的增加，縱向電場分布幾乎沒有變化。這說明縱向電場分布與gap寬度變化是獨(dú)立的。本文提取了不同gap區(qū)寬度的APD的橫向電場，如圖7(a)所示。可以看到，高場區(qū)在gap區(qū)達(dá)到1 μm時已經(jīng)達(dá)到最大，再繼續(xù)增大gap區(qū)域?qū)挾?，只是增加了低場區(qū)的范圍，對載流子輸運(yùn)是不利的。圖7(b)也表明了隨著gap區(qū)寬度的提升，器件整體頻率響應(yīng)特性是下降的，1 μm時可以達(dá)到接近20 GHz的3 dB帶寬，已經(jīng)優(yōu)于傳統(tǒng)縱向結(jié)構(gòu)的Ge/Si APD。

圖6 不同寬度gap區(qū)電場分布示意圖(對數(shù)坐標(biāo))。(a)0 μm；(b)1 μm；(c)2 μm；(d)5 μm Fig.6 Electric fields(logarithmic coordinates) of Ge/Si APDs with (a)0 μm, (b)1 μm, (c)2 μm, and (d)5 μm wide gap region

圖7 不同寬度gap區(qū)的(a)橫向電場分布和(b)對應(yīng)的3 dB帶寬 Fig.7 Lateral electric fields(a) and the related 3 dB-BW(b) of the APDs with different width of gaps

3.4 對器件3 dB帶寬的分析

為了進(jìn)一步分析設(shè)計的橫向收集結(jié)構(gòu)Ge/Si APD的高帶寬特性。模擬計算得到了縱向SACM結(jié)構(gòu)和該橫向收集結(jié)構(gòu)器件的主要載流子(電子)的速率分布，如圖8(a)和8(d)所示?？梢钥闯鰞煞N結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，高速區(qū)都集中在器件邊緣，并且Si層的速率都高于Ge層。這是由電場分布以及不同材料的載流子遷移率共同決定的。

圖8 縱向SACM結(jié)構(gòu)APD的(a)電子速率；(b)電流方向(和電子輸運(yùn)方向相反)和(c)縱向電子速率分布；本文設(shè)計的橫向吸收結(jié)構(gòu)APD的(d)電子速率；(e)電流方向(和電子輸運(yùn)方向相反)和(f)縱向電子速率分布，插圖中是橫向速率分布 Fig.8 (a)-(c) The electron velocity(linear coordinates), direction of current flow(contrary to electrons transport) and vertical electron velocity curve in edge of SACM APD; (d)-(f)the electron velocity, direction of current flow and vertical electron velocity curve of proposed APD. Inset shows the lateral electron velocity

如上文所述，本文設(shè)計的基于鍵合技術(shù)制備的Ge/Si APD是橫向收集載流子的。因此器件的頻率響應(yīng)特性需要重點(diǎn)考慮橫向結(jié)構(gòu)部分，比如gap區(qū)域。圖8(d)就展現(xiàn)了器件中電子輸運(yùn)的速率分布，可以看到電子在連接本征Si倍增區(qū)和高摻Si收集區(qū)的gap區(qū)具有很大的速率。這會減少載流子在倍增層雪崩后到被收集的輸運(yùn)時間。這是由于改變參數(shù)后，p+-i-p--n-與n--n+雙結(jié)的結(jié)效應(yīng)有所提升，共同作用于gap區(qū)的結(jié)果。同時，圖8(b)和8(e)通過展示器件中的電流密度矢量表明了兩種器件中的電流方向與大小。這兩幅圖說明了載流子在該器件的Si層中是橫向輸運(yùn)收集的，與傳統(tǒng)SACM結(jié)構(gòu)的縱向輸運(yùn)不同。更重要的是，可以看到在本文設(shè)計的APD中，載流子輸運(yùn)主要發(fā)生在臺面邊緣及兩側(cè)，而在SACM APD中則一般是在中間部分。這可以由獨(dú)特的橫向收集結(jié)構(gòu)和邊緣電場效應(yīng)解釋。由于n+-Si收集層設(shè)置在側(cè)面即橫向方向，而經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化后載流子又會如同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣在Ge層中吸收后縱向輸運(yùn)到下方的Si層中雪崩倍增，載流子輸運(yùn)受到橫向電場以及邊緣電場的共同影響，路徑集中在兩側(cè)，這極大地加速了載流子的輸運(yùn)過程。為了方便進(jìn)一步討論，本文提取出了兩種不同結(jié)構(gòu)的電子速率曲線，如圖8(c)和8(f)所示?？梢钥吹秸w速率是橫向結(jié)構(gòu)高于縱向結(jié)構(gòu)的。這是由于獨(dú)特的收集結(jié)構(gòu)導(dǎo)致輸運(yùn)路徑在高速區(qū)。圖8(f)中的插圖展示了橫向上的電子速率，可以發(fā)現(xiàn)在載流子輸運(yùn)集中的地方(gap區(qū))具有很大的電子速率。這些結(jié)果表明了本文設(shè)計的橫向吸收結(jié)構(gòu)APD，其載流子輸運(yùn)路徑和電場分布引起的高速區(qū)一致，比傳統(tǒng)SACM結(jié)構(gòu)具有更快的載流子輸運(yùn)速率，極大地減少了載流子輸運(yùn)時間，并提高了器件的3 dB帶寬。

4 性能模擬與結(jié)果

在對設(shè)計的APD電場結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，選擇摻雜濃度為5×1016cm-3，厚度為1 μm的Si倍增層以及gap區(qū)域?qū)挾葹? μm的器件進(jìn)行測試。接下來選取了3組不同的Ge吸收層厚度(0.5 μm，0.6 μm，0.7 μm)來仿真測試器件性能，并驗證器件在薄Ge吸收層下能否正常工作。

圖9(a)展示了模擬得到的不同Ge吸收層厚度APD的I-V曲線，發(fā)現(xiàn)隨著Ge吸收層厚度的增加，雪崩電壓提升明顯。這是由于Ge層中耗盡區(qū)域的增加導(dǎo)致相同偏壓下整體電場強(qiáng)度的下降，需要更高的偏壓才能滿足Si倍增層所需的高電場。圖9(b)展示了3 dB帶寬特性的對比結(jié)果?？梢悦黠@看出，隨著Ge吸收層厚度的增加，3 dB帶寬不斷減小。這是由于電子在Ge層中渡越時間增加。如表1所示，隨著Ge吸收層厚度的增加，響應(yīng)度也隨之增大。為了實現(xiàn)高的3 dB帶寬和響應(yīng)，本文選擇了0.6 μm的吸收層厚度，并模擬得到了19.6 GHz的3 dB帶寬和0.7 A/W的響應(yīng)度。同時對圖1(b)所示的類似參數(shù)的縱向SACM結(jié)構(gòu)進(jìn)行了同樣的模擬仿真，雖然在0.6 μm吸收層參數(shù)下取得了16.6 GHz的高帶寬，但是由于吸收層厚度過薄，器件在雪崩后1 V內(nèi)就擊穿了，使得其無法正常工作。因此，對于傳統(tǒng)縱向SACM結(jié)構(gòu)的Ge/Si APD來說，很難簡單地通過減少Ge吸收層厚度的方法來提高帶寬。這是因為較強(qiáng)的縱向結(jié)效應(yīng)容易導(dǎo)致Ge吸收層厚度降低，從而使Ge層中的電場強(qiáng)度過大，最終導(dǎo)致器件提前擊穿。較好的SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD實驗值由參考文獻(xiàn)[24-25]給出，也列在表1中。

圖9 不同Ge吸收層厚度(0.5 μm，0.6 μm，0.7 μm)模擬得到的(a)I-V曲線、增益和(b)3dB帶寬 Fig.9 (a)I-V curves, gain and (b)3 dB-BW of devices with different Ge absorption layer thicknesses(0.5 μm, 0.6 μm, 0.7 μm) under an optical input power of -30 dBm at 1 310 nm

器件雪崩電壓/V暗電流/A響應(yīng)度/(A·W-1)3 dB帶寬/GHz0.5 μm吸收層橫向-21.8510-120.62220.4縱向在雪崩倍增前提前擊穿,不能工作0.6 μm吸收層橫向-23.6510-120.70119.6縱向-29.110-81.0516.60.7 μm吸收層橫向-25.5510-120.77417.6縱向-30.110-81.213.3縱向APD[20]-2410-70.5513縱向APD[21]-2210-90.8513

5 結(jié) 論

本文設(shè)計并模擬優(yōu)化了一種有潛力的、具有新結(jié)構(gòu)的Ge/Si APD，將縱向的吸收-倍增和橫向的載流子收集相結(jié)合。基于鍵合技術(shù)，高質(zhì)量的體Ge和Si材料可以分別用于制備APD的吸收層和倍增層。研究發(fā)現(xiàn)Si倍增層的摻雜濃度對結(jié)效應(yīng)具有顯著影響，主導(dǎo)了縱向上類SACM結(jié)構(gòu)電場的產(chǎn)生。在臺面和高摻n+-Si間添加的gap區(qū)域有助于調(diào)控邊緣電場效應(yīng)。另外，Si倍增層的厚度也對器件性能具有一定影響，需要一定厚度才能保證完全耗盡。在經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最終仿真得到了具有0.7 A/W響應(yīng)度，19.6 GHz 3 dB帶寬以及10-12A暗電流的高性能Ge/Si APD器件。