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InGaAs / InAlAs / InP雪崩光电二极管的研究
Krzysztof Czuba, Jaroslaw Jurenczyk, Janusz Kaniewski
Institute of Electron Technology, al. Lotnikow 32/46, 02-668 Warsaw, Poland
摘要
电信，医学影像和测量系统的发展，对新一代的光电探测器，特别是内部增益的需求不断增加。这种装置的一个例子是分离吸收，分级，充电和乘法雪崩光电二极管。与常规p-n或p-i-n雪崩光电二极管相比，它实现了更高的灵敏度，更快的响应时间和更小的暗电流水平。另外，为了改善光电二极管的参数，可以应用集成的单片光学器件。
在这项工作中，进行了以1.55um波长工作的这种雪崩光电二极管的选定区域的数值分析。使用Silvaco的TCAD软件进行计算。研究了掺杂浓度，分布和层厚对器件特性的影响。然后将执行的模拟结果与从实际雪崩光电二极管的测量获得的数据进行比较。
关键字：雪崩光电二极管 InGaAs 模拟 测量
- 引言
雪崩光电二极管（APDs）是近红外光谱范围内最常用的光电探测器。它们在其内部增益可以发挥重要作用的应用中尤其重要，例如，在长途数据传输系统中。与传统的p-n和p-i-n型光电探测器相比，它们具有极高的灵敏度，速度和带宽。然而，尽管有许多优点，但是它们的特征在于本征讨论的由雪崩倍增现象引起的本质上较高的暗电流值。多年来，电信行业主导了雪崩光电二极管的发展，重点是优化时间响应和增益。暗电流的关注度要低得多，甚至在达到这样的应用程度足够低的价值之后甚至可能会被忽略。近几年来，已经观察到医疗和3D成像，天文相关或检测和诊断系统等不同科技部门的动态发展。这些应用需要比电信标准要低得多的噪声因子（特别是乘法噪声因子）和暗电流值。因此，需要在设计和制造方面采用不同的方法。据说现在需要修改现有和/或发明的新结构，这些结构是专为现代应用而优化的。
如今，通过计算机模拟和基于定义明确的物理模型的数值计算来辅助分析和设计过程。使用虚拟环境可以更有效和高效地利用现有资源，技术背景和时间，从而降低生产成本。人们还有机会观察选定的物理现象如何影响某些设备的参数，从而进一步更好地了解其操作机制。此外，有可能设计和实验新的，以前未闻的结构。
在本文中，已经研究了选定层中的厚度，掺杂分布和浓度以及光浸渍对分离吸收，分级，电荷和乘法（SAGCM）InGaAs / InAlAs / InP雪崩光电二极管的特性的影响。由Silvaco开发的TCAD软件用于此目的。将数值结果与从实际SAGCM雪崩光电二极管的测量获得的数据进行比较。
- 仿真软件
目前存在许多允许执行所选择的半导体器件的模拟的软件包。然而，只有少数几个可以确保整个系统的综合方法，集成的图形环境和广泛的用户控制。Silvaco开发的TCAD包是这种软件的一个例子。它是一种基于物理的计算机辅助设计和仿真框架，用于包括光电探测器在内的各种半导体器件。有各种各样的物理模型可用，以及相对于所选材料系统操纵它们的可能性。软件本身具有模块化结构，其中每个模块结构面向特定应用，例如 激光器，发光二极管（LED）或光电检测器。
在每个设备的TCAD中，需要定义一组要正确模拟的模型和参数，并使结果具有物理意义。在本文讨论的计算中，使用以下基本模型：费米 - 迪拉克载体统计，漂移扩散载体传输模型，双分子生成 - 重组模型，俄歇重组模型，载流子浓度依赖Shockley-Read-Hall重组模型，Caughey和托马斯低场移动模型和速度饱和模型。雪崩乘法由Selberherr冲击电离模型和隧道电流描述，使用局部和非局部带对隧道模型。对于光学分析，应用光线跟踪方法。
有关列出型号的更多信息，请参见ATLAS用户手册[1]。在需要时，考虑合金组成和波长的材料参数值。所有必要的材料数据都是从文献[2-4]中获得的。
- 结构
在本文中，进行了对SAGCM雪崩光电二极管的广泛分析，其几何以及作为探测器深度的函数的电位分布如图1[5]所示。研究结构的细节见表1。在晶格匹配的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As/InP材料体系中设计了光电二极管。 在这种类型的光电检测器吸收层与高电场区域分离并由较窄的带隙材料制成。
与常规设备相比，各区域之间的分离大大提高了对噪声比的响应。
其原因是吸收器几乎完全没有被去除，从而降低暗电流的特定组分。后者主要与这些材料中的生成-重组过程有关。此外，使用p型，窄带隙化合物，在这种情况下，In0.53Ga0.47As，可以获得更好的吸收效率和更小的寄生隧道电流。此外，应用阶梯状掺杂分布以通过产生内置电场来确保光学产生的载流子的单向传输。直接在所研究的光电二极管的1.1mm厚的衬底中制造半球形单片透镜。这种配置允许光电二极管的响应和效率更好。另外的优点是可以生产具有较低电容的较小器件以及用于高频应用的改善的响应时间。在这种配置中，光电探测器以背照射模式工作。表1中给出的结构被认为是进一步优化过程的基础。所有考虑光-物相互作用的模拟;源均匀，波长独立强度等于50uW*cm-2。光是APD表面的正常发生。
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结果和讨论
- 缓冲层
在SAGCM APDs中，存在位于p型电荷和n型缓冲层之间的薄的本征乘法层，其控制该区域中电场的分布和幅度。Kaniewski等人研究了电荷层掺杂浓度对这种雪崩光电二极管参数的影响。 [6]。他们发现掺杂水平和击穿电压值之间有很强的关联，同时也扩大了电场。除了电荷区域，影响分析雪崩光电二极管特性和参数的重要因素是缓冲区中的掺杂浓度。缓冲层各种掺杂浓度下的模拟光I-V曲线如图1所示。可以看出，掺杂剂浓度越高，击穿电压就越低。然而，提高供体浓度会导致较大的暗电流值。黑暗的I-V曲线显示出相同的行为。两个提到的效应是乘法层电场幅度变化的结果。后者又强烈依赖于电场到缓冲区和电荷区的穿透长度的值。另外，观察到所呈现的曲线的形状作为掺杂浓度的函数保持相当恒定。因此，可以简单地通过与另一个的充分平移（与掺杂水平成比例）来获得一条曲线。这些曲线不均匀分布，并且随着掺杂浓度越高，也出现饱和效应。
提出的结果清楚地表明，在这种情况下，与Kaniewski等人提出的修改相比，击穿电压变化更小。因此，可以使用这种掺杂调谐来改进对设计过程中器件参数的控制。然而，这一切都归结于增长过程中兴奋剂的精确度。这就是为什么最好的方法是通过充分掺杂电荷层来调谐击穿电压，然后修改另一层中的掺杂浓度来执行一种精确的调谐。提出的结果清楚地表明缓冲层可能是一个很好的选择。另一方面，由于需要与器件形成适当的电接触，因此缓冲器中供体浓度的可能值受到限制。还发现缓冲层中的供体浓度是影响光电探测器中暗电流水平的最重要因素。降低供体浓度导致暗电流同时降低和击穿电压值增加。此外，雪崩光电二极管的增益随缓冲层中电场的变化而变化。Kaniewski等人观察到类似的行为同时使用Crosslight的APSYS软件研究电荷层掺杂浓度对SAGCM APD参数的影响[6]。在这两种情况下，增益的变化是由冲击电离系数相对于电场强度的指数依赖性引起的。它是模拟中使用的Selberherr模型的特征。
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- 吸收区域
除了缓冲区，电荷和倍增层，吸收体是SAGCM雪崩光电二极管中另一个非常重要的区域。从表1中可以看出，在所示的情况下，它被分为三个相等厚度的子层。此外，由于第3节中提到的原因，采用阶梯状掺杂分布。已考虑了具有不同总体吸收体厚度，掺杂特性和浓度的器件。
在图3a和3b中，提出了具有均匀掺杂的吸收体的雪崩光电二极管的电流-电压特性。与先前的修改相比，击穿电压的变化要小得多。连续掺杂水平的结果之间的差异主要是可忽略的，除了最低受体浓度之外，其中击穿电压的偏移是清晰可见的。这种行为的原因是随着掺杂剂浓度越来越低，吸收体的绝缘性更强，这导致在该区域存在显着更高的电场。另一方面，独立于掺杂水平，暗电流水平保持相当恒定。然而，电场分布的分析表明，它以较低的掺杂浓度渗透到吸收体中。另外，观察到，随着掺杂剂浓度变高，光电流占优势的电压范围变窄（见图3b）。
吸收层的厚度是影响光电探测器响应性和吸收效率的主要因素之一。在SAGCM APD的情况下，吸收体相当薄，以降低由重组现象引起的损失并增加载体提取的概率。特别是由于部分吸收区域的高掺杂浓度影响载流子寿命。选择背面照明配置，这允许利用二次反射和从上部接触散射，其成为金属反射镜。这个事实允许制造具有较薄吸收层的雪崩光电二极管。这种装置在不使用额外的镜子的情况下实现与较厚的装置相同的效率。
在下一步中，通过改变吸收层的厚度来改变表1中给出的结构。研究了这种情况下暗电流和击穿电压的变化。对以下厚度进行仿真：450nm，990nm和1500nm。在图4中提出了照明雪崩光电二极管的电流 - 电压曲线。可以清楚地看到，作为吸收体厚度的函数的光电流水平的变化，这是由于光电检测器的总体吸收效率的提高。
没有观察到三个模拟结构的击穿电压和暗电流值的差异。这种缺乏变化是在p型In0.53Ga0.47As中存在内置电场以及吸收体厚度小于电子扩散长度的结果。
除了电气，还进行了这些雪崩光电二极管的光谱模拟。观察到，吸收层越厚，响应越高，对应于光电二极管的最大响应度的波长越长。这种红移效应是由于辐射穿透长度对材料的波长的依赖性，这从Beer-Lambert法可以看出。这种效果在相对薄的层中特别显着。可以忽略上述现象的临界厚度完全取决于材料，特别是其复合折射率。在模拟中获得的位移的大小与在实际设备上执行的测量一致。然而，精确的值很大程度上取决于模拟中使用的材料的光学参数。复合折射率值或重组比。
随后，模拟了在整个吸收区域具有不同掺杂分布的器件。进行雪崩光电二极管参数变化的研究。一开始，表1中给出的结构以下列方式进行了修改。保留了连续亚层之间掺杂浓度的差异。每个次区域的同时掺杂水平在至的范围内增加相同的量。在图5，给出了模拟的电流-电压特性。传说中的数值涉及上述偏移。它等于吸收器底部分区的掺杂浓度。
当掺杂浓度增加时，击穿电压降低，但没有观察到暗电流水平的变化。通过比较图。通过图5与图3b比较，可以看出，在这两个图中，击穿电压的行为方式大致相同。即使其变化的范围也几乎相同。此外，在照明范围内的检测范围较窄，受体浓度较高。这种行为与使用均匀掺杂的吸收剂的光电二极管观察到的行为相似，因此可以认为底层的受主浓度对上述参数影响最大。因此，底部吸收剂子区域中的掺杂水平决定了源于耗尽的乘法层的电场的穿透深度。
之后，分析了掺杂浓度和分布的变化。总体而言，受体分布的阶梯形状被保留，除了连续层中的浓度之间的比例发生变化。吸收器中间分区的受体的掺杂量固定为。顶层亚层浓度提高了，而底层浓度降低了。从模拟中获得的所选光电流-电压曲线如图1所示。当比率增加时，击穿电压的值也是如此。这些变化很小，直到顶部和底部亚层中的受体浓度分别比中间的大约10倍和更小。曲线形状的变化与在缓冲层情况下观察到的曲线非常相似。这表明吸收层底部分区域出现了额外的潜在下降。该比率还影响雪崩光电二极管作为光电检测器有效地工作的电压范围的宽度。以下关系存在：电压范围越宽，曲线越平坦的比率越高。对于图6（粉红和蓝1线）中的最后两个数据集，观察到显著的差异。其与电荷区域中的掺杂强烈连接。靠近分级层的吸收剂中较小的受体浓度导致较低的静电荷。因此，源于p-i-n结的电场深入到吸收层中，引起第一电压阶跃的值的下降。在这种情况下，吸收体变得部分耗尽，这导致获得雪崩倍增所需的较高偏压以及较高的击穿电压。此外，光电流的行为与图2所示的不同。
前期分析显示，改性吸收区域的厚度是改善所提出的光检测器的响应和效率而不影响击穿电压的好方法。然而，应该记住，这种方法将改变载体提取过程的有效性，这与平均电子扩散长度严格相关。为此，增加吸收层的厚度太多，将导致雪崩光电二极管的响应时间更长。所提出的论据当然只对所描述的结构是真实的，以及所有的改进，其中吸收体是完全不被剥夺的。底部吸收子层中的浓度的任何变化将导致不同的临界厚度，击穿电压不改变。这是因为受体水平影响结构中的电场分布，因此必须在上述所有因素之间找到一定的平衡。
4.3 光学浸没
最后，研究了集成单片光学对雪崩光电二极管参数的影响。在这种情况下，将表1中所示的结构放置在通过使用化学机械技术直接在InP衬底中制造的半径为1.1mm的半球形透镜上。这种配置开启了一种在不修改器件结构本身的情况下，在光电检测器的整体效率和响应方面显着改进，高达两个数量级的方式。考虑了两种类型的透镜，即半球形和超半球形（均具有1.1mm的曲率半径）。分析了具有和不具有单片光学的光电二极管的暗电流和电流 - 电压特性。在黑暗I-V曲线的情况下，没有发现具有不同或非光学的器件之间的差异。轻的表明额外的光学器件对光电检测器的性能有积极的影响。然而，对于具有超半球面透镜的装置，获得了最好的结果。另外，对于这两种类型的透镜进行光结构中光传播的光线跟踪分析。事实证明，响应的差异是由透镜焦点的位置引起的。为了说明，图7中可以看出坡印亭矢量在半球形透镜中的分布。以波长为1550nm，强度为50uW*cm-2为特征的单色源。使用正常入射到吸收区平面的辐射。在具有半球形透镜的配置中，可以看出，有效焦点恰好在透镜内部而不是靠近吸收层。有两个原因。首先，光学器件的尺寸没有针对该特定光电检测器的尺寸进行优化。其次，阴极作为附加镜产生入射光的寄生反射。这样的光对雪崩光电二极管的整体效率和响应不起作用，从而使它们更小。在高半球形透镜的情况下，焦点位于吸收层正上方，即位于屏障区域的某处。这种配置确保几乎所有的
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