趙華良 彭紅玲 周旭彥 張建心 牛博文 尚肖 王天財 曹澎

1) (曲阜師范大學物理工程學院,曲阜 273165)

2) (濰坊先進光電芯片研究院,濰坊 261071)

3) (中國科學院半導體研究所,北京 100083)

4) (山東理工大學物理與光電工程學院,淄博 255049)

5) (濰坊學院物理與電子信息學院,濰坊 261061)

1 引言

雪崩光電二極管(APD)目前已經(jīng)廣泛應用于商業(yè)、軍事和科研領域,推動了光通信、成像[1?3]和單光子探測[4?6]等技術的發(fā)展.APD 結構主要經(jīng)歷了分離吸收和倍增(separate absorption and multiplication,SAM)結構[7?9]、分離吸收、漸變和倍增(separate absorption,grading and multiplication,SAGM)結構[10,11]、分離吸收、漸變、電荷和倍 增(separate absorption,grading,charge and multiplication,SAGCM)結構[12?14]等幾個階段的演變,其中SAGCM 結構因其性能優(yōu)越而成為當前使用最廣泛的APD 結構.如果在一種倍增層材料中,電子和空穴碰撞電離系數(shù)接近,則會產(chǎn)生較大的過剩噪聲[15,16],因此為降低APD 的噪聲,在一種倍增層材料中,一般采用單種載流子倍增[17,18],例如空穴注入型[19]結構通常采用InP 等作為倍增層材料,而電子注入型[20,21]結構通常采用In0.52Al0.48As 等作為倍增層材料.正因如此,對于當前各種結構的APD,在吸收層內產(chǎn)生的光生載流子只有其中一種進入倍增層發(fā)生雪崩倍增,另外一種載流子則沒有參與倍增.

APD 內部能夠發(fā)生雪崩倍增效應,可以提供更高的靈敏度[22?24],更適合于對微弱光信號的探測.增益是表征APD 對光電流放大作用的性能參數(shù),在電場強度一定的條件下,增益的大小由材料的碰撞電離系數(shù)以及倍增層的厚度所決定[16,25,26],其中增大倍增層厚度雖然可以提高增益,但也會導致響應速度的下降以及過大的擊穿電壓.因此,目前提高APD 增益的主要方式是優(yōu)化制備工藝,以及選擇具有更佳碰撞電離系數(shù)的倍增材料[18,27,28],而很少有通過改進結構來提高APD 增益的報道.2013 年,Huang 等[29]有效地利用了倍增層中的死區(qū)空間[30],通過在此區(qū)域中交替生長不同載流子倍增納米結構,實現(xiàn)了在SAM 結構基礎上的雙載流子倍增,通過模擬對比,顯示出更薄的倍增納米結構可以獲得更高的增益,且不會引起過剩噪聲的明顯增加.因此,如何在采用工藝成熟的材料前提下,通過設計新的APD 結構以獲得大的倍增增益,是值得去解決的問題.

本文在傳統(tǒng)SAGCM-APD 的基礎上進行改進,設計了兩種不同載流子都參與倍增的結構,將兩個倍增層分別置于吸收層上下兩側,并通過電荷層來控制吸收層和兩個倍增層內部的電場強度,使得器件在一定的電場條件下,光生電子和空穴分別進入各自的倍增層后同時發(fā)生倍增,因此器件具有更大的增益值.另外,以工藝較為成熟的InGaAs/InP/InAlAs 材料體系為例來介紹雙倍增層結構,根據(jù)入射波長等不同應用需求,可以在此結構上使用其他材料體系.

2 APD 器件設計

器件結構中以Si 和Be 分別作為n 型和p 型摻雜.器件外延結構見圖1.在p+InP(100)襯底上外延生長0.2 μm p+InP 緩沖層(8×1018cm?3),用來防止襯底雜質向外延層的擴散;再依次外延生長0.3 μm p+InP 歐姆接觸層(8×1018cm?3)、0.4 μm n? InP 空穴倍增層(2×1015cm?3)、0.06 μm n+InP 電荷層(3.4×1017cm?3)、0.05 μm n?InGaAsP漸變層(1×1015cm?3)、0.8 μm 非故意摻雜的In0.53Ga0.47As (下文稱為InGaAs)吸收層、0.05 μm p?InGaAsP 漸變層(1×1015cm?3)、0.08 μm p+In0.52Al0.48As (下文為InAlAs)電荷層(3.6×1017cm?3)、0.4 μm p?InAlAs 電子倍增層(2×1015cm?3)、0.08 μm n+InAlAs 電荷層(2.4×1017cm?3),此處n+電荷層設計目的為增大電子倍增層的電場強度,這是因為InAlAs 材料具有比InP 材料更高的碰撞電離閾值[19?21].接著外延生長0.2 μm n+InAlAs帽層(8×1018cm?3)、0.05 μm n+InGaAs 歐姆接觸層(8×1018cm?3),至此,完成主體結構的外延設計.

圖1 雙載流子倍增APD 結構示意圖Fig.1.Schematic diagram of double carrier multiplication APD structure.

光信號波長為1.55 μm,采用從背面入射,結構的陰極和陽極分別與外電路的正極和負極連接,在反向偏壓下耗盡過程首先從兩個倍增層開始,隨著偏壓的增大,耗盡區(qū)逐漸向吸收層擴展,直至完成低摻雜區(qū)域的耗盡.依靠多個電荷層控制吸收層和兩個倍增層的電場強度大小,使得光生電子和空穴可以順利從吸收層進入兩個倍增層發(fā)生雪崩倍增.圖2 為拉通后器件的能帶示意圖,光入射后,在吸收層產(chǎn)生光生電子和空穴(實心圓表示電子,空心圓表示空穴),如圖中的紅色實線箭頭所示,在電場的作用下,電子漂移至InAlAs 倍增層,空穴漂移至InP 倍增層,兩種載流子分別在兩個倍增層發(fā)生雪崩倍增效應,均產(chǎn)生大量的電子和空穴.紅色虛線箭頭表示在InP 倍增層碰撞電離產(chǎn)生的電子,又在電場的作用下,經(jīng)過吸收層后漂移至InAlAs倍增層,電子在這里發(fā)生了二次倍增;同樣,在InAlAs 倍增層碰撞電離產(chǎn)生的空穴經(jīng)過吸收層后,漂移至InP 倍增層,空穴在此處發(fā)生了二次倍增,相比于初次從吸收層產(chǎn)生進入倍增層的光生載流子,進行二次倍增的載流子經(jīng)過吸收層時會有相近或更大的漂移速度,因此參與二次倍增的載流子中更多的會進入倍增層發(fā)生倍增效應,而不是在吸收層漂移過程中發(fā)生復合湮滅.雖然新結構利用了兩種載流子參與倍增過程,但是對于其中任何一個倍增層而言,仍然為單載流子倍增形式,所以過剩噪聲不會急劇增加.

圖2 雙載流子倍增APD 能帶示意圖Fig.2.Band diagram of the double carrier multiplication APD.

3 仿真模擬

使用Silvaco TCAD 的Athena 和Atlas 分別對結構進行工藝和器件仿真,其中器件仿真中用到的物理模型有: 濃度依賴遷移率模型(conmob)、載流子統(tǒng)計模型(Fermi-Dirac)、復合模型(srh,auger,optr)、能帶變窄模型(bgn),碰撞模型采用了Selb,Selberherr 和Zappa 模型.表1 列出了InAlAs 和InP 的碰撞電離系數(shù)的參數(shù),其中an,ap,bn和bp為碰撞模型中計算碰撞電離系數(shù)時的參數(shù)值.

表1 InAlAs 和InP 碰撞電離系數(shù)的仿真參數(shù)Table 1.Simulation parameters for the ionization coefficients of InAlAs and InP.

碰撞電離系數(shù)的計算公式為

這里,

(1)式、(2)式分別為Selberherr 模型和Zappa模型中計算碰撞電離系數(shù)的數(shù)學表達式,其中α,β分別為電子碰撞電離系數(shù)和空穴碰撞電離系數(shù);En和Ep分別為電子和空穴能量;λn,λp分別為電子和空穴的平均自由程;E為電場強度;k為玻爾茲曼常數(shù);T為開爾文溫度值.

下文將雙載流子倍增APD 結構定義為結構Ⅰ.如圖3 所示,在零偏壓條件下,耗盡過程首先從兩個倍增層開始,內建電場使能帶在這兩個區(qū)域發(fā)生了彎曲,并且彎曲方向一致;另外,靠近吸收層兩側的p+電荷層和n+電荷層也構成一個PN 結,使得吸收層也發(fā)生一定程度的耗盡,所以吸收層能帶也發(fā)生一定的彎曲,只不過此處與兩個倍增層的內建電場方向相反,能帶彎曲方向也就不同.

圖3 結構Ⅰ零偏壓能帶分布Fig.3.Energy band distribution under zero bias of structure I.

圖4 和圖5 分別為結構Ⅰ在擊穿電壓下的電場分布和碰撞電離系數(shù)分布.由圖4 可以看出,通過電荷層的調節(jié),使得兩個倍增層的電場均高于吸收層的電場,且吸收區(qū)電場低于其隧穿電場,這樣的電場分布有以下優(yōu)勢: 光生載流子可通過吸收區(qū)內的電場越過勢壘進入倍增層,而不在此處發(fā)生倍增效應;同時,這種較低的電場也減少了在吸收層產(chǎn)生的隧穿暗電流;倍增層的高電場使進入此區(qū)域的載流子與晶格發(fā)生碰撞電離,從而引起雪崩倍增效應,產(chǎn)生大的光電流輸出.因為InAlAs 材料比InP 材料的碰撞電離閾值高,所以需要讓InAlAs倍增層的電場高于InP 倍增層的電場.需要注意的是,倍增層的電場并非越大越好,過大的電場會使倍增層能帶更加彎曲,從而會產(chǎn)生過大的隧穿暗電流.

圖4 結構Ⅰ在擊穿電壓下的電場分布Fig.4.Distribution of electric field at breakdown voltage for structure Ⅰ.

圖5 結構Ⅰ在擊穿電壓下的電離系數(shù)分布Fig.5.Distribution of ionization coefficient at breakdown voltage for structure Ⅰ.

圖6 為模擬得到的結構Ⅰ的I-V特性曲線和增益曲線,圖7 為結構Ⅰ在不同電壓下對應的電場分布,在反向偏壓為15 V 時,首先完成了InP 倍增層至吸收層下邊緣的耗盡過程,此時暗電流的急劇增加由產(chǎn)生-復合暗電流的突變引起[31],由于吸收層內無電場,光生載流子無法越過勢壘進入倍增層發(fā)生倍增效應,因此無光電流產(chǎn)生;當反向偏壓為36 V 時,完成了InAlAs 倍增層至吸收層上邊緣的耗盡過程,此時吸收層電場和光電流仍為零;隨著反向偏壓的繼續(xù)增大,吸收層內部開始耗盡而產(chǎn)生電場,光電流也因此開始產(chǎn)生,直至反向偏壓為38 V 時,完成了整個器件的拉通,對應穿通電壓Vp=38 V;器件的擊穿電壓Vb=69 V,在95%Vb反向偏壓下,直徑100 μm 的器件暗電流為1.5 nA,光電流為35 nA,對應的增益M為35 左右.

圖6 結構Ⅰ的I-V 特性與增益曲線Fig.6.Currrent-voltage characteristics and gain of the structure Ⅰ.

圖7 不同反向偏壓下結構Ⅰ的電場分布Fig.7.Electric field distribution of structure Ⅰ under the different reverse bias voltage.

將傳統(tǒng)單載流子倍增APD 仿真結果與本文新結構進行對比,為方便表述,下文將傳統(tǒng)單InP 倍增層結構和單InAlAs 倍增層結構分別定義為結構Ⅱ和結構Ⅲ.需要注意的是,在仿真單載流子倍增APD 結構時,采用的仿真模型、材料參數(shù)、器件尺寸等與結構Ⅰ保持一致,以保證對比結果的可靠性.另外也要使結構Ⅱ和Ⅲ的性能參數(shù)達到文獻[32]報道的正常水平,其中倍增層厚度為0.4 μm 和提供足夠碰撞電離所需要的電場強度的條件下,理論計算的單InP 倍增層結構的平均增益范圍為4—18,實驗測試的增益為10 左右[33,34].相同的條件下,理論計算的單InAlAs 倍增層結構的平均增益范圍為3—20[32],實驗測試的增益為15 左右[33].圖8 為模擬得到的結構Ⅱ和結構Ⅲ的I-V特性以及增益曲線,表2 為3 種結構的特性對比結果: 由于結構Ⅰ耗盡區(qū)寬度的增大,要想獲得與結構Ⅱ和結構Ⅲ耗盡區(qū)相同的電場,結構Ⅰ需要更大的反向偏壓,所以結構Ⅰ的穿通電壓和擊穿電壓都會比結構Ⅱ和結構Ⅲ大.圖9 為簡化后的結構Ⅰ電場分布圖,其中忽略了厚度較薄的電荷層和漸變層,以及無電場分布的帽層和接觸層,(3)式為與圖9 對應的結構Ⅰ電壓Vapd表達式:

表2 三種結構特性對比Table 2.Comparison of the characteristics of three structures.

圖8 I-V 特性與增益曲線 (a)結構Ⅱ;(b)結構ⅢFig.8.Curve of I-V characteristics and gain: (a) StructureⅡ;(b) structure Ⅲ.

圖9 簡化的結構Ⅰ電場分布Fig.9.Electric field distribution of the simplified structure Ⅰ.

式中,Vm1,Va,Vm2分別為InP 倍增層、吸收層、InAlAs 倍增層的電壓降,Exm1,Exa,Exm2為這3 個區(qū)域的電場強度.可以看出,對比結構Ⅱ和結構Ⅲ,在保證各對應功能層厚度和電場分布相同的條件下,落在耗盡區(qū)各部分的電壓降基本沒有變化.也就是說,表2 中結構Ⅰ相對于結構Ⅱ或結構Ⅲ高出的擊穿電壓值,主要是所增加的一個倍增層的電壓降.關于暗電流,結構Ⅰ相對于結構Ⅱ和結構Ⅲ而言,增加一個倍增層后并沒有引起暗電流的顯著增大,這是因為在倍增層內產(chǎn)生的暗電流主要成分為高電場下的隧穿暗電流,而本文在仿真過程中,對兩個倍增層的電場進行一定的控制,避免過高電場而導致的帶間隧穿暗電流的增大.因此,增加一個倍增層后的結構,可以保持與單倍增層結構相近的暗電流水平.

增益方面,由于結構Ⅰ中空穴倍增層與結構Ⅱ中倍增層的材料和厚度相同,并且調節(jié)后兩層的電場大小接近,所以可以推測,在結構Ⅰ的空穴倍增層中產(chǎn)生的增益應該接近結構Ⅱ產(chǎn)生的增益;同理,在結構Ⅰ的電子倍增層中產(chǎn)生的增益應該接近結構Ⅲ產(chǎn)生的增益.另外,在結構Ⅰ中的空穴倍增層碰撞形成的電子進入到電子倍增層后也會參與電子主導的雪崩倍增而增加光電流輸出.同理,在電子倍增層碰撞形成的空穴進入空穴倍增層后也會參與空穴主導的雪崩倍增,進而也會增加結構Ⅰ增益.總之,由于結構Ⅰ實現(xiàn)了兩種載流子分別在兩個倍增層內同時倍增,因此會產(chǎn)生比結構Ⅱ和結構Ⅲ更大的光電流增益.從理論上來說,結構Ⅰ的增益值應該接近結構Ⅱ和結構Ⅲ的增益值之和,仿真結果基本符合此理論預測.

4 結論

在傳統(tǒng)SAGCM 單載流子倍增結構的基礎上,設計了雙載流子倍增的APD 新結構,其中電子倍增層選用的材料為InAlAs,空穴倍增層選用的材料為InP,可以實現(xiàn)電子和空穴在兩個倍增層分別進行倍增,在不增加暗電流的基礎上,顯著提高了光電流增益.使用Silvaco TCAD 軟件對3 種結構分別進行了仿真,在95%擊穿電壓和器件直徑為100 μm 條件下,三者的暗電流水平幾乎相同,結構Ⅰ的暗電流為1.5 nA,結構Ⅱ的暗電流為2 nA,結構Ⅲ的暗電流為1.5 nA.增益方面,結構Ⅰ相對于后兩種結構有明顯優(yōu)勢,結構Ⅰ增益值為35,結構Ⅱ和結構Ⅲ增益值分別為15 和18,顯示出雙載流子倍增APD 在探測極微弱信號領域具有較大應用潛力.

本文使用的結構是InP 襯底上的InP/InGaAs/InAlAs 材料體系,基于此結構設計框架,可以對襯底、電子倍增層、空穴倍增層等外延層進行材料替換,同樣能夠實現(xiàn)對應材料體系下的雙載流子倍增.

感謝中國科學院半導體研究所和濰坊先進光電芯片研究院給予的技術和資金支持,感謝曲阜師范大學的培養(yǎng)和支持.