Теоретический анализ лавинных фотодиодов InGaAs/InAlAs с SAGCM структурой

Введение

InGaAs (In0,53Ga0,47As) ЛФД — ведущие детекторы для коротковолнового инфракрасного (КВИС) диапазона, таких как оптоволоконная связь, дистанционное зондирование и квантовое распределение ключей. InP и In0,52Al0,48As имеют одинаковый параметр решетки и отличные пробойные свойства, делая InAlAs естественным выбором для умножающего слоя. Недавний прогресс в однофотонном детектировании, временно-разрешенной спектроскопии, оптической VLSI-инспекции и 3D лазерном далении возобновил интерес к ЛФД.

Предыдущие работы сообщали об однофотонных ЛФД с 10–30 % эффективностью детектирования при 1550 нм и подчеркивали роль туннелирования в генерации темных счетов. В то время как InP-базированные ЛФД широко моделировались, InAlAs предлагает более широкую запрещенную зону, более высокое отношение ионизации электронов к дырочкам, меньший избыточный шум и улучшенные пробойные характеристики. Однако взаимосвязь между параметрами зарядного слоя, толщиной умножающего слоя и туннелированием остается недостаточно изученной.

В этой работе мы разрабатываем теоретический фреймворк и 2D-симуляцию для количественной оценки этих эффектов для вертикальных InGaAs/InAlAs ЛФД, работающих при 1,55 мкм.

Методы

Мы формулируем распределение электрического поля, решая уравнение Пуассона, модель обедненного слоя и уравнения p-n перехода для упрощенной SACM структуры без градиентного слоя. Зарядная плотность в каждом слое выражается как ρ = qN, где N — концентрация примеси, ε — диэлектрическая постоянная. Полученные выражения для поля (Уравнения 1–11) отражают зависимость от толщин слоев, легирования и приложенного смещения.

Используя полученное поле, мы решаем для оптимального легирования зарядного слоя (N2) и толщины (w2), которые ограничивают поле в поглощающем слое 50–180 кВ/см, сохраняя высокое лавинное поле в умножающем слое. Сравнение с экспериментальными данными (Рис. 2) валидирует предсказательную способность Уравнения 8.

Рисунок 3 расширяет анализ на умножающие слои 300, 500 и 700 нм, показывая, что более толстые зарядные слои сужают допустимый диапазон легирования. Это объясняет, почему незначительные вариации легирования могут заметно влиять на характеристики ЛФД.

Учет туннелирования

Когда поле в поглощающем слое превышает 1,8×10⁵ В/см, межзонное туннелирование вводит дополнительный член генерации носителей Gbbt (Уравнение 13). Этот член изменяет локальную зарядную плотность и, следовательно, электрическое поле в умножающем регионе. Уравнения 14–16 описывают модифицированное поле, и полученное изменение лавинного поля δE (Рис. 6) показывает, что туннелирование снижает поле умножения и M_n (Уравнение 19).

Модель симуляции

Мы использовали 2D TCAD симулятор устройств, включающий дрифф-диффузию, межзонное туннелирование, ловушковое туннелирование, модели Шокли-Реда-Холла, Огера и Сельберхера для импакт-ионизации. Симулируемые структуры (Рис. 7) точно соответствуют экспериментальным устройствам из Ref. 13, с двумя геометриями: ЛФД-1 (800 нм умножение, 1800 нм поглощение) и ЛФД-2 (200 нм умножение, 600 нм поглощение).

Сравнение симулированных и экспериментальных I-V кривых (Рис. 8) демонстрирует отличное соответствие как для фото-, так и для темновых токов, подтверждая точность модели.

Результаты и обсуждение

Влияние толщины зарядного слоя

Симуляции с ЛФД-1 (800 нм умножение) подтверждают, что увеличение толщины зарядного слоя сужает допустимый диапазон легирования (Рис. 9a). Та же тенденция для ЛФД-2 (200 нм умножение, Рис. 9b). Рис. 9c показывает близкое соответствие между аналитическими предсказаниями (Уравнение 8) и симуляцией.

Рисунки 10a–d иллюстрируют, как 210-нм зарядный слой высокочувствителен к вариациям легирования, в то время как 50-нм слой дает более широкий допуск. Следовательно, более тонкие зарядные слои обеспечивают лучшую управляемость.

Эффект туннелирования на распределение электрического поля

Симуляции (Рис. 12) раскрывают, что когда поле поглощающего слоя превышает туннельный порог, лавинное поле в умножающем регионе уменьшается. Это поведение согласуется для обеих геометрий ЛФД и подтверждает аналитическое предсказание, что туннелирование снижает M_n.

Рисунок 12c,d показывают поля поглощения и умножения vs смещение. Резкое падение поля умножения после пересечения порогом поля поглощения иллюстрирует критическую необходимость держать поле поглощения ниже 1,8×10⁵ В/см при пробое.

Заключение

Мы установили комплексный теоретический и симуляционный фреймворк для InGaAs/InAlAs SAGCM ЛФД. Ключевые выводы:

1. Оптимальное легирование и толщина зарядного слоя для любой толщины умножающего слоя можно рассчитать аналитически; предсказания согласуются с экспериментом.
2. Более толстые зарядные слои резко снижают допуск легирования, делая тонкие зарядные слои предпочтительными для надежного дизайна устройств.
3. Туннелирование в поглощающем слое снижает лавинное поле и коэффициент умножения; поддержание поля поглощения ниже туннельного порога необходимо для высокопроизводительных ЛФД.

Эти инсайты позволяют более точное проектирование КВИС ЛФД с улучшенной эффективностью и более низкими темными счетами.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

APD

Лавинный фотодиод

DCR

Темновая частота счетов

SACM APDs

ЛФД с разделенными поглощением, зарядом и умножением

SAGCM APDs

ЛФД с разделенными поглощением, градиентом, зарядом и умножением

SPAD

Однофотонный лавинный фотодиод

SPDE

Эффективность однофотонного детектирования

SRH

Шокли-Ред-Холл