Оптимизация распределения электрического поля в однофотонных лавинных фотодиодах InGaAs/InAlAs

Аннотация

Это исследование представляет строгую двухмерную TCAD-моделирование InGaAs/InAlAs лавинных фотодиодов (APD) и однофотонных лавинных фотодиодов (SPAD) в Гейгеровском режиме. Анализируются профили электрического поля и туннельные механизмы, устанавливая, что толщина слоя умножения более 300 нм удерживает поле ниже туннельного порога 6,8×10⁵ В/см. Работа при высоком смещении с оптимально легированным зарядовым слоем дополнительно подавляет туннелирование в абсорбирующем слое, снижая темновые счеты.

Введение

InGaAs/InAlAs и InGaAs/InP APD доминируют в детекции коротковолнового инфракрасного (SWIR) диапазона, обеспечивая однофотонный счет при 1550 нм. По сравнению с фотоэлектронными умножителями, эти устройства предлагают высокую надежность, низкое смещение, компактный форм-фактор и отличное временное разрешение. Недавний прогресс в квантовом распределении ключей ускорил их внедрение.

SPAD работают в Гейгеровском режиме, применяя обратное смещение выше пробоя для достижения лавинного усиления, превращающего один фотон в макроскопический импульс. Материал InAlAs предлагает более высокое отношение ионизационных коэффициентов электронов и дыр, чем InP, давая более низкий избыточный шум и более высокое произведение усиление-полоса пропускания. Его более широкая запрещенная зона также подавляет туннелирование, уменьшая темновой счет (DCR) и улучшая температурную стабильность.

Хотя InGaAs/InAlAs APD достигли эффективностей однофотонного обнаружения (SPDE) до 26% при 210 К, их DCR остаются выше типичных <10⁴ Гц для передового InP SPAD. Избыточный DCR исходит из зонно-зонного и ловушечно-ассистированного туннелирования, вызванного высокими электрическими полями. Оптимизация распределения электрического поля — через легирование зарядового слоя и толщину слоя умножения — критична для производительности SPAD.

Методы

Проводили двухмерные TCAD-моделирования фронтально-освещенной SAGCM InGaAs/InAlAs APD структуры (Рис. 1). Модель включает уравнения Сельберхера для ударной ионизации, дрифта-диффузии, Пуассона и непрерывности носителей, а также зонно-зонное и ловушечно-ассистированное туннелирование. Также учтены Ферми-Дираковская статистика, Ожэ-рекомбинация, Шокли-Рид-Холловская рекомбинация, низкопольная подвижность, насыщение скорости и трассировка лучей.

Эпитаксиальный стек, от подложки к контакту, включает контактный слой, обдувной слой, слой умножения, зарядовый слой, градиентный слой, абсорбирующий слой, градиентный слой, обдувной слой и контактный слой. Градиентный слой InAlGaAs смягчает накопление электронов на границе InGaAs-InAlAs.

Электрическое поле ξ(x) удовлетворяет уравнению Пуассона dξ/dx = ρ/ε = qN/ε, и граничному условию смещения V_bias + V_bi = -∫₀^w ξ(x,w) dx. Туннельная генерация для зонно-зонного туннелирования: G_btb = √(2m*/E_g) q²E/(2π)³ħ exp(-π/(4qħE) √(2m*E_g³/2)), давая туннельную плотность тока I_tunnel/A = G_btb q w_tunnel.

Рис. 2 показывает, что туннелирование становится значимым при 2,0×10⁵ В/см в InGaAs и 6,9×10⁵ В/см в InAlAs, совпадая с литературными порогами. Параметры моделирования в Таблице 1.

Результаты и обсуждение

Распределение электрического поля в Гейгеровском режиме

Рис. 4 и 5 иллюстрируют смоделированные поле-напряжение характеристики для слоев умножения и абсорбции под Гейгеровским смещением. С зарядовым слоем 50 нм и слоями умножения 100–300 нм, абсорбционное поле растет линейно со смещением, тогда как поле умножения насыщается по мере приближения к пробою.

В Гейгеровском режиме абсорбционное поле превышает 5×10⁴ В/см, достаточное для транзита носителей, но остается ниже туннельного предела 1,8×10⁵ В/см. Поле умножения достигает пика выше 6×10⁵ В/см; поэтому более толстый слой умножения снижает пиковое поле и смягчает туннелирование.

Проектировочные соображения

Рис. 6 демонстрирует, что увеличение толщины умножения от 100 до 500 нм снижает пиковое поле ниже туннельного порога, сохраняя высокое усиление. Соответственно, толщина умножения > 300 нм рекомендуется для Гейгеровских SPAD.

Настройка легирования зарядового слоя также формирует абсорбционное поле. Рис. 7 показывает, что высокая концентрация легирования (≥ 4,5×10¹⁷ см⁻³) удерживает абсорбционное поле ниже туннельного предела даже при высоком смещении, тогда как низкие уровни легирования достигают порога преждевременно. Таким образом, оптимальный баланс легирования зарядового слоя и толщины умножения необходим.

Заключение

Наше двухмерное моделирование подтверждает, что толщина слоя умножения более 300 нм и сильно легированный зарядовый слой позволяют InGaAs/InAlAs SPAD работать в Гейгеровском режиме, сохраняя туннельные токи ниже критических порогов. Эти проектные правила напрямую преобразуются в более низкие DCR и более высокие SPDE для однофотонного обнаружения при 1550 нм.