郭可飛 ，尹飛 ，劉立宇 ，喬凱 ，李鳴 ，汪韜 ，房夢巖 ，吉超 ，屈有山 ，田進(jìn)壽 ，王興

（1 中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 超快診斷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710119）

（2 中國科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049）

0 引言

單光子探測技術(shù)是一種能夠檢測單個(gè)光子能量的超高靈敏度光電探測技術(shù)，是激光測距、量子通信、高分辨率光譜檢測、激光雷達(dá)三維成像等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的微弱信號(hào)檢測技術(shù)［1-5］。目前，主要的單光子探測器件有光電倍增管、超導(dǎo)單光子探測器、單光子雪崩光電二極管（Single Photon Avalanche Diodes， SPAD）等。SPAD一般工作電壓大于擊穿電壓，即工作在蓋革模式下，蓋革模式下工作電壓與擊穿電壓的差值稱為過偏壓。光子探測效率（Photon Detection Efficiency，PDE）指一個(gè)光子入射到器件后轉(zhuǎn)化為能夠被檢測到的宏觀信號(hào)的概率，是衡量SPAD探測能力的重要參數(shù)。InGaAs/InP單光子雪崩光電二極管可工作于近紅外波段（900 nm～1 700 nm），具有高的光子探測效率（＞30%）和良好的時(shí)間抖動(dòng)（＜100 ps）等特點(diǎn)，此外還有體積小、穩(wěn)定性高、抗輻射性能優(yōu)、可實(shí)現(xiàn)大面陣成像等優(yōu)點(diǎn)，成為最具有應(yīng)用前景的近紅外單光子探測器件之一［6-10］。

當(dāng)前，InGaAs/InP SPAD主流結(jié)構(gòu)為吸收漸變電荷倍增分離（Separate Absorption Grading Charge Multiplication，SAGCM）結(jié)構(gòu)，其特點(diǎn)是將吸收區(qū)與倍增區(qū)分離，吸收層用In0.53Ga0.47As（常溫下Eg=0.75 eV）材料吸收近紅外光子，倍增層選取具有高碰撞電離系數(shù)比的InP（常溫下Eg=1.35 eV）材料。在InP帽層中，P+有源區(qū)與N區(qū)形成的空間電荷區(qū)作為器件的倍增區(qū)，其中本文研究的P+有源區(qū)由兩次Zn擴(kuò)散形成［11-12］。兩次Zn擴(kuò)散結(jié)構(gòu)首先由第一次掩膜形成深度較深、濃度較高的深擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，隨后利用第二次掩膜形成深度較淺、濃度較低的淺擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。兩次Zn擴(kuò)散結(jié)構(gòu)可以將器件雪崩擊穿所需的大電場集中在深擴(kuò)散下方倍增區(qū)，從而產(chǎn)生可以被檢測到的宏觀信號(hào)，使光生載流子能被有效探測。淺擴(kuò)散可以有效降低倍增區(qū)邊緣的尖峰電場，避免倍增區(qū)發(fā)生過早的邊緣擊穿現(xiàn)象，從而提升相同過偏壓下倍增區(qū)中心的雪崩擊穿概率，且可以在不使用額外保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的條件下來減小像素的間距，有利于制造大規(guī)模SPAD陣列。設(shè)計(jì)合理的兩次Zn擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)器件的性能，尤其是雪崩擊穿概率有著至關(guān)重要的影響，是決定器件光子探測效率進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單光子探測能力的重要參數(shù)［13-14］。

2003年，WANG S等使用MCINTYRE的電離模型得出相比于倍增區(qū)較薄的器件，倍增區(qū)較厚的器件在過偏壓下具有更尖銳的雪崩擊穿概率曲線［15］。2007年，TAN S L等在此基礎(chǔ)上，用一個(gè)簡單的隨機(jī)電離路徑長度模型研究了單光子雪崩二極管的雪崩擊穿概率，模擬結(jié)果表明，增加倍增區(qū)厚度并不一定會(huì)增加同一過偏壓下的雪崩擊穿概率。雪崩擊穿概率對(duì)一定的電離閾值能敏感，高于該閾值能級(jí)時(shí)，死空間效應(yīng)更為明顯，而低于該閾值能級(jí)時(shí)碰撞電離系數(shù)比k*成為控制因素。所以在較高的電離能下，在薄倍增區(qū)中死空間占主導(dǎo)地位，減小倍增區(qū)寬度將導(dǎo)致雪崩擊穿概率在過偏壓下發(fā)生更尖銳的轉(zhuǎn)變［16］。

上述文獻(xiàn)報(bào)道的器件都是通過傳統(tǒng)的外延生長形成P+區(qū)，而非使用兩次Zn擴(kuò)散形成P+有源區(qū)。兩次Zn擴(kuò)散參數(shù)對(duì)InGaAs/InP SPAD器件雪崩擊穿概率影響的相關(guān)研究還比較匱乏。本文研究了兩次Zn擴(kuò)散深度差、Zn擴(kuò)散橫向擴(kuò)散因子、Zn摻雜濃度、溫度參數(shù)對(duì)器件雪崩擊穿概率的影響，給出了實(shí)現(xiàn)最佳光子探測效率的Zn擴(kuò)散結(jié)構(gòu)參數(shù)。本文工作對(duì)從理論設(shè)計(jì)到工藝優(yōu)化上實(shí)現(xiàn)高性能InGaAs/InP SPAD器件具有重要的指導(dǎo)意義。

1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的InGaAs/InP SPAD器件采用平面背照式結(jié)構(gòu)［17］，器件的基本架構(gòu)如圖1所示，為SAGCM結(jié)構(gòu)，像素直徑為15 μm，器件具體結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。首先在n型重?fù)诫sInP緩沖層上生長一層與其晶格匹配的In0.53Ga0.47As（后文均稱為InGaAs）材料作為吸收層，可以有效地吸收波長范圍在900 nm～1 700 nm的光子并產(chǎn)生相應(yīng)的光生載流子。隨后生長n型重?fù)诫sInP作為電荷層，通過改變該層厚度與摻雜濃度可以有效地控制器件的電場分布［18］，使得倍增區(qū)電場強(qiáng)度足夠大以實(shí)現(xiàn)雪崩擊穿，并且將吸收區(qū)電場強(qiáng)度限定在一定范圍內(nèi)，使其不會(huì)產(chǎn)生過大的隧穿電流。為了防止載流子在InP和InGaAs之間的異質(zhì)界面處累積，在吸收層與電荷層之間生長本征InGaAsP漸變層以改善價(jià)帶不連續(xù)的現(xiàn)象［19］。最后在電荷層上生長本征InP帽層，并通過兩次擴(kuò)散Zn元素，形成了器件的P+有源區(qū)。其中Tshallow為淺擴(kuò)散深度，W1為淺擴(kuò)散橫向擴(kuò)散長度，Tdeep為深擴(kuò)散深度。其中深擴(kuò)散區(qū)域通過第一次掩模形成，深度Tdeep為2.3 μm，Zn摻雜濃度為5×1018cm-3。再通過第二次掩膜形成淺擴(kuò)散區(qū)域，深度Tshallow為1.7 μm，Zn摻雜濃度為3×1018cm-3。Zn擴(kuò)散的橫向擴(kuò)散因子（W1/Tshallow）為0.8。深擴(kuò)散將擊穿所需的大電場集中在倍增區(qū)，而淺擴(kuò)散的加入可以避免深擴(kuò)散區(qū)域過早的邊緣擊穿，從而在不使用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)的條件下使得像素更加緊湊，有助于提高SPAD陣列的集成度。

表1 器件結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Device structure parameters

圖1 背照式InGaAs/InP SPAD內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of back-illuminated InGaAs/InP SPAD

2 器件仿真結(jié)果

2.1 物理模型

器件的電學(xué)模擬，主要選用了漂移-擴(kuò)散模型、熱電子發(fā)射模型、SRH復(fù)合模型、俄歇復(fù)合模型、輻射復(fù)合模型、擊穿模型等［20］。因?yàn)槠骷窃贗nP材料區(qū)域發(fā)生雪崩倍增，所以對(duì)InP材料選取合適的碰撞電離系數(shù)模型成為正確預(yù)測雪崩擊穿參數(shù)的關(guān)鍵。本文使用與溫度和電場相關(guān)的van Overstraeten模型［21］，模型中碰撞電離系數(shù)β及參數(shù)因子γ的表達(dá)式如式（1）和式（2）所示，我們將文獻(xiàn)［22-23］中報(bào)道的模型擬合到TCAD環(huán)境中，選取的InP碰撞電離系數(shù)模型參數(shù)如表2所示。

表2 InP材料van Overstraeten模型的參數(shù)Table 2 Parameters of the van Overstraeten model for InP materials

式中，β為碰撞電離系數(shù)，F(xiàn)ava為電場驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)電場強(qiáng)度小于E0時(shí)，系數(shù)選擇alow與blow，反之則選擇ahigh與bhigh。因子γ由光學(xué)聲子能量?ωop與溫度T共同決定。

對(duì)于器件的光學(xué)特性仿真，通過指定入射光的入射角、波長、強(qiáng)度、偏振等信息，為光學(xué)求解器提供光學(xué)激發(fā)參數(shù)。由于入射光的吸收主要發(fā)生在InGaAs層，所以對(duì)InGaAs材料的吸收系數(shù)α選取的準(zhǔn)確性是非常重要的。模型中對(duì)吸收參數(shù)α的定義如式（3）所示，基于文獻(xiàn)［24-25］我們選取了合適的參數(shù)以使仿真結(jié)果更加匹配實(shí)際情況。

2.2 電場分布

首先，對(duì)所設(shè)計(jì)器件的電場分布進(jìn)行仿真，如圖2（a）所示為器件工作在擊穿電壓下的電場分布，工作溫度為255 K。從圖2中可以看出，高電場分布區(qū)域主要集中在第一次Zn擴(kuò)散的深擴(kuò)散區(qū)域下方，而第二次Zn擴(kuò)散的淺擴(kuò)散區(qū)域周圍電場較低。因此，這種結(jié)構(gòu)可以很好地將雪崩倍增限制在深擴(kuò)散區(qū)域下方，不僅有助于提高雪崩擊穿概率，而且可以有效地避免邊緣場強(qiáng)較高導(dǎo)致過早邊緣擊穿。圖2（b）是平行于Y軸沿中心隨著器件厚度增加的電場強(qiáng)度分布，可以看出，電場強(qiáng)度從1.4 μm處開始增大，在2.3 μm處達(dá)到最大值，高電場集中分布在2.1 μm～3 μm之間區(qū)域，電場強(qiáng)度在大于InP帽層厚度3.0 μm之后迅速下降。通過對(duì)電荷層摻雜濃度以及厚度的合理設(shè)計(jì)，吸收區(qū)電場強(qiáng)度控制在理想的范圍內(nèi)（小于100 kV/cm），不會(huì)產(chǎn)生過大的隧穿電流。

圖2 電場模擬與垂直方向分布Fig.2 Electric field simulation diagram and vertical distribution

2.3 I-V與PDE特性

器件在255 K的溫度下有光照與無光照的I-V特性曲線如圖3（a）所示，其中光照條件下采用的是1 550 nm波長的光源，光照強(qiáng)度為0.1 W/cm2。InP對(duì)該波長是透明的，光子不會(huì)被吸收，所以光電流產(chǎn)生即代表InGaAs吸收層被耗盡。穿通電壓（耗盡區(qū)擴(kuò)散至吸收層時(shí)器件兩端的電壓）為47.3 V，擊穿電壓（電流達(dá)到10 μA時(shí)的電壓）為69.5 V。在光照條件下，器件的電流明顯增大，表明其對(duì)該波段光子具有良好的吸收能力。圖3（b）為器件在5 V過偏壓時(shí)PDE與波長的關(guān)系。在950 nm～1 650 nm的寬光譜區(qū)域探測效率均大于25%，其中常用的通訊波段1 550 nm處的探測效率為27%，該結(jié)果證明了器件在近紅外區(qū)域單光子探測的有效性。PDE與器件量子效率、雪崩擊穿概率以及填充因子等因素有關(guān)。本文設(shè)計(jì)的器件采用背照式結(jié)構(gòu)，光子從背面入射，可以保證器件有接近100%的填充因子。因此，提高PDE的一個(gè)主要途徑就是提高載流子在倍增區(qū)的雪崩擊穿概率。

圖3 I-V特性與PDEFig.3 I-V characteristics and PDE

2.4 雪崩擊穿概率

雪崩擊穿概率指的是單個(gè)載流子或電子空穴對(duì)觸發(fā)自持雪崩的概率。與雪崩擊穿電壓不同，雪崩擊穿概率是指在雪崩擊穿電壓之上（蓋革模式），雪崩事件發(fā)生的概率隨過偏壓、電場強(qiáng)度及溫度變化的函數(shù)。表達(dá)式為［26］

式中，PA（0）為吸收區(qū)向倍增區(qū)注入載流子的雪崩擊穿概率，PA（x）為位于x處的雪崩擊穿概率。其中x=0對(duì)應(yīng)于電荷層的開始，x=W=WCha+WAva+W（PWCha是電荷層厚度，WAva是倍增區(qū)厚度，WP是P+區(qū)域中耗盡區(qū)的寬度）對(duì)應(yīng)于P+區(qū)域耗盡區(qū)的邊緣。α（x）和β（x）分別為電子和空穴位于x處的碰撞電離系數(shù)。

如圖4（a）所示，在仿真中通過選取van Overstraeten模型，計(jì)算了器件在T=255 K，過偏壓Vex=5 V時(shí)，耗盡區(qū)光生載流子可能觸發(fā)自持雪崩的概率，圖4（b）是沿平行于x軸截取的雪崩擊穿概率分布曲線。結(jié)果表明，通過采用兩次Zn擴(kuò)散結(jié)構(gòu)，并設(shè)置合理的摻雜濃度、擴(kuò)散深度以及橫向擴(kuò)散尺寸，擊穿區(qū)域被很好的限制在了深擴(kuò)散下方倍增區(qū)，倍增區(qū)中心的雪崩擊穿概率接近30%，同時(shí)也避免了過早邊緣擊穿的發(fā)生。因?yàn)榇嬖谇市?yīng)，倍增區(qū)邊緣電場強(qiáng)度較大，所以邊緣處的雪崩擊穿概率會(huì)大于中心區(qū)域。

圖4 雪崩擊穿概率模擬圖與水平方向分布Fig.4 Avalanche breakdown probability simulation diagram and horizontal distribution

雪崩擊穿概率與兩次Zn擴(kuò)散深度差（Tdeep-Tshallow）、Zn擴(kuò)散的橫向擴(kuò)散因子（W1/Tshallow）、Zn摻雜濃度、溫度等參數(shù)密切相關(guān)，下文將對(duì)這幾種情況下的雪崩擊穿概率進(jìn)行深入具體地研究。

3 Zn擴(kuò)散對(duì)器件雪崩擊穿概率特性影響

3.1 兩次Zn擴(kuò)散深度差對(duì)雪崩擊穿概率的影響

在深擴(kuò)散深度（Tdeep）固定不變的情況下，研究了溫度為255 K，過偏壓為5 V時(shí)不同淺擴(kuò)散深度（Tshallow）器件雪崩擊穿概率的變化情況，其中深擴(kuò)散深度為2.3 μm，淺擴(kuò)散深度由1.2 μm到2.1 μm變化。圖5（a）是沿平行于x軸方向截取的器件雪崩擊穿概率分布曲線。由圖中可以看出，淺擴(kuò)散深度越深，器件雪崩擊穿概率越大。當(dāng)淺擴(kuò)散深度為1.2 μm時(shí)，倍增區(qū)中心雪崩擊穿概率僅為18%左右，而當(dāng)淺擴(kuò)散深度為2.1 μm時(shí)，雪崩擊穿概率最大可以達(dá)到36%，增長了將近一倍。圖5（b）是沿平行于x軸方向不同Tshallow在同一過偏壓下的電場強(qiáng)度分布?？梢钥闯?，雪崩擊穿概率變化的主要原因是倍增區(qū)電場強(qiáng)度發(fā)生了變化。淺擴(kuò)散深度越深，倍增區(qū)的電場強(qiáng)度也越大，所以載流子的碰撞電離率也會(huì)相應(yīng)增大，從而引起雪崩擊穿概率的提高。同時(shí)，較高的電場強(qiáng)度也有利于光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，可以提高器件的時(shí)間響應(yīng)。

圖5 Vex=5 V時(shí)不同Tshallow雪崩擊穿概率與水平電場分布Fig.5 Different Tshallow avalanche breakdown probability and horizontal electric field distribution at Vex =5 V

另一方面，由圖5（a）可以看出，當(dāng)淺擴(kuò)散深度大于一定值時(shí)，器件還會(huì)在倍增區(qū)以外的區(qū)域發(fā)生擊穿，這是器件設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免的。為研究產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因，從圖5（b）電場分布曲線可以看出，由于淺擴(kuò)散深度的不斷增加，器件倍增區(qū)外的電場強(qiáng)度也隨之不斷提高，當(dāng)淺擴(kuò)散深度大于1.8 μm時(shí)，倍增區(qū)外的電場強(qiáng)度已經(jīng)大于InP材料的臨界擊穿電場強(qiáng)度，導(dǎo)致倍增區(qū)以外出現(xiàn)了明顯的非理想擊穿現(xiàn)象。為了尋找淺擴(kuò)散深度的最佳目標(biāo)值，進(jìn)一步研究了Tshallow等于1.6 μm、1.7 μm時(shí)的雪崩擊穿概率，1.5 μm到1.7 μm的雪崩擊穿概率曲線如圖5（c）所示。結(jié)果表明，當(dāng)Tshallow小于1.7 μm時(shí)，擊穿能夠很好地限制在深擴(kuò)散區(qū)域以下的倍增區(qū)。

因此，當(dāng)深擴(kuò)散的深度設(shè)計(jì)為2.3 μm時(shí)，淺擴(kuò)散深度的最佳目標(biāo)值為1.7 μm。所以在設(shè)計(jì)時(shí)為了保證器件具有良好的單光子響應(yīng)性能，應(yīng)盡可能將深擴(kuò)散與淺擴(kuò)散的深度差控制在合理的范圍內(nèi)，使得器件不會(huì)在倍增區(qū)外發(fā)生非理想擊穿，同時(shí)也要兼顧電場強(qiáng)度的分布，因?yàn)殡妶鰪?qiáng)度也影響到器件的時(shí)間響應(yīng)等特性。

3.2 Zn擴(kuò)散橫向擴(kuò)散因子對(duì)雪崩擊穿概率的影響

在半導(dǎo)體制造過程中，通過掩膜版進(jìn)行擴(kuò)散形成PN結(jié)時(shí)，由于雜質(zhì)擴(kuò)散為各向異性，熱過程中雜質(zhì)會(huì)形成橫向擴(kuò)散。通過改變工藝參數(shù)與條件，可以對(duì)擴(kuò)散形貌進(jìn)行一定的控制。在仿真中定義雜質(zhì)的擴(kuò)散輪廓類型為高斯分布，并通過選擇橫向擴(kuò)散因子（Factor）來定義橫向展寬參數(shù)，橫向擴(kuò)散因子表達(dá)式為

在淺擴(kuò)散其余條件固定不變的情況下，研究了器件在溫度為255 K，過偏壓為5 V條件下，深擴(kuò)散采用不同橫向擴(kuò)散因子時(shí)的雪崩擊穿概率，圖6是沿平行于x軸方向截取的器件雪崩擊穿概率分布曲線。結(jié)果表明，當(dāng)橫向擴(kuò)散因子從0.6增加到1.2時(shí)，器件倍增區(qū)中心部分雪崩擊穿概率逐漸增大，而倍增區(qū)邊緣的雪崩擊穿概率逐漸減小。因此增加橫向擴(kuò)散因子，可以有效降低PN結(jié)邊緣的曲率效應(yīng)，從而降低邊緣的局部電場?？紤]到實(shí)際工藝中的可操作性，應(yīng)盡量將橫向擴(kuò)散因子控制在0.7～0.8之間［27］，以降低邊緣擊穿概率與中心區(qū)域的差值，從而避免過早的邊緣擊穿。

圖6 Vex=5 V時(shí)不同橫向擴(kuò)散因子的雪崩擊穿概率Fig.6 Avalanche breakdown probability of different lateral diffusion factor at Vex=5 V

3.3 深擴(kuò)散與淺擴(kuò)散Zn摻雜濃度對(duì)雪崩擊穿概率的影響

在淺擴(kuò)散Zn摻雜濃度為3×1018cm-3不變，溫度為255 K，過偏壓為5 V的條件下，分別研究了深擴(kuò)散Zn摻雜濃度為 5×1018cm-3、7×1018cm-3、1×1019cm-3、1.2×1019cm-3時(shí)雪崩擊穿概率曲線的變化情況，圖7（a）和（b）分別是是沿平行于x軸方向截取的不同深擴(kuò)散Zn摻雜濃度的器件雪崩擊穿概率曲線和電場分布曲線。結(jié)果表明，同一擴(kuò)散深度下，隨著深擴(kuò)散Zn摻雜濃度的升高，相同過偏壓條件下雪崩擊穿概率會(huì)逐漸降低。AHMED J等的研究結(jié)果指出，隨著耗盡區(qū)寬度的增加，相同過偏壓下的工作電場會(huì)降低，但空穴與電子的碰撞電離系數(shù)比β/α?xí)仙?，較大的β/α值會(huì)使得雪崩擊穿概率在過偏壓下增長的更快［28-29］。所以出現(xiàn)該結(jié)果的原因可以解釋為，當(dāng)深擴(kuò)散深度不變時(shí)，深擴(kuò)散摻雜濃度的增加，會(huì)使P+區(qū)域的耗盡區(qū)寬度隨摻雜濃度的增加而減小，式（4）中能夠發(fā)生有效倍增的W厚度也隨深擴(kuò)散摻雜濃度的增加而減小，因此導(dǎo)致工作電場增大且β/α值降低，引起相同過偏壓下雪崩擊穿概率的降低。圖7（c）是提取的不同深擴(kuò)散摻雜濃度相同過偏壓下電場強(qiáng)度與β/α的值?？梢钥闯?，摻雜濃度增大引起耗盡區(qū)變薄，電場強(qiáng)度變大，且β/α的值也變小，該變化趨勢與上述報(bào)道結(jié)果一致。

圖7 Vex=5 V時(shí)不同深擴(kuò)散Zn摻雜濃度的雪崩擊穿概率、水平電場分布與碰撞電離系數(shù)比Fig. 7 Avalanche breakdown probability， horizontal electric field distribution and collision ionization coefficient ratio of different deep diffusion Zn doping concentrations at Vex=5 V

同樣的，當(dāng)固定深擴(kuò)散Zn摻雜濃度為1.2×1019cm-3時(shí)，分別研究了淺擴(kuò)散Zn摻雜濃度為5×1018cm-3、7×1018cm-3、9×1018cm-3、1.1×1019cm-3時(shí)雪崩擊穿概率曲線的變化情況。結(jié)果表明，不同淺擴(kuò)散Zn摻雜濃度器件倍增區(qū)的電場強(qiáng)度基本一致，且相應(yīng)的碰撞電離系數(shù)無明顯影響，故雪崩擊穿概率也不會(huì)發(fā)生明顯變化。因此，在實(shí)際器件研制中，考慮到Zn擴(kuò)散工藝的成熟度，可降低對(duì)淺擴(kuò)散的工藝要求，嚴(yán)格控制深擴(kuò)散的摻雜濃度。

3.4 溫度對(duì)雪崩擊穿概率的影響

由碰撞電離理論可知，溫度越高，晶格振動(dòng)越劇烈，發(fā)生碰撞電離就需要更高的電場，也就需要更高的電壓，所以InGaAs/InP SPAD器件的雪崩擊穿電壓與工作溫度呈正相關(guān)。因此，需要首先確定器件在不同溫度下的擊穿電壓，圖8（a）是器件工作在不同溫度時(shí)的I-V特性仿真結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)溫度為255 K時(shí)，擊穿電壓為69.5 V；當(dāng)溫度為300 K時(shí)，擊穿電壓升為77.1 V。結(jié)果表明，雪崩擊穿電壓隨工作溫度變化的趨勢與理論一致。圖8（b）研究了不同溫度下過偏壓為5 V時(shí)的雪崩擊穿概率，結(jié)果表明，器件的溫度越低，雪崩擊穿概率也就越大。圖9為雪崩擊穿概率、雪崩擊穿電壓與器件工作溫度的關(guān)系。從圖中可以看出，擊穿電壓隨著溫度的升高而線性升高，相應(yīng)的，雪崩擊穿概率隨溫度的升高而降低，當(dāng)溫度為255 K時(shí)，雪崩擊穿概率接近30%，而在300 K時(shí)，雪崩擊穿概率降至23%。所以在使用InGaAs/InP SPAD時(shí)，需要盡可能將探測器進(jìn)行制冷以提高PDE同時(shí)降低暗噪聲。并且較低的溫度也可以降低擊穿電壓，使器件更容易小型化、集成化。

圖8 不同溫度下的I-V特性與雪崩擊穿概率Fig.8 I-V characteristics and avalanche breakdown probability at different temperatures

圖9 擊穿電壓與雪崩擊穿概率隨溫度的變化曲線Fig.9 Variation curve of breakdown voltage and avalanche breakdown probability with temperature

4 結(jié)論

本文針對(duì)InGaAs/InP SPAD進(jìn)行了器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與數(shù)值仿真，得到了相應(yīng)的電學(xué)與光學(xué)參數(shù)。研究了不同Zn擴(kuò)散參數(shù)對(duì)器件雪崩擊穿概率的影響。研究表明，在深擴(kuò)散深度一定的情況下，淺擴(kuò)散深度存在最佳目標(biāo)值。淺擴(kuò)散深度越深，相同過偏壓條件下器件倍增區(qū)中心的電場強(qiáng)度越大，雪崩擊穿概率也越大。與此同時(shí)，為了防止在倍增區(qū)外發(fā)生不必要的擊穿，還應(yīng)控制淺擴(kuò)散與深擴(kuò)散的深度差。通過Zn擴(kuò)散不同橫向擴(kuò)散因子對(duì)雪崩擊穿概率的影響研究發(fā)現(xiàn)，橫向擴(kuò)散因子越大，器件倍增區(qū)中心雪崩擊穿概率越高，而倍增區(qū)邊緣雪崩擊穿概率隨橫向擴(kuò)散因子增大而降低。考慮到實(shí)際工藝中的可操作性，應(yīng)盡可能將橫向擴(kuò)散因子控制在0.7～0.8之間以避免過早的邊緣擊穿。此外，在擴(kuò)散深度不變的情況下，隨著深擴(kuò)散Zn摻雜濃度的升高，相同過偏壓條件下雪崩擊穿概率會(huì)逐漸降低。而淺擴(kuò)散Zn摻雜濃度對(duì)雪崩擊穿概率基本沒有影響。最后研究了不同溫度對(duì)雪崩擊穿概率的影響，溫度越高，擊穿電壓越大，相同過偏壓下的雪崩擊穿概率越低，所以器件應(yīng)盡可能制冷工作。

本文研究結(jié)果可以更好地指導(dǎo)InGaAs/InP SPAD器件設(shè)計(jì)、提高器件探測效率、降低暗計(jì)數(shù)。此外，相關(guān)研究工作也可為器件工作點(diǎn)的選擇提供參考，保證器件工作在最佳狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)器件的最優(yōu)化應(yīng)用。