Theoretische analyse van InGaAs/InAlAs SAGCM lawijnfotodiodes

Achtergrond

InGaAs (In0.53Ga0.47As) APD's zijn de toonaangevende detectoren voor kortgolvige infrarood (SWIR) toepassingen zoals optische-vezelcommunicatie, teledetectie en kwantum-sleuteldistributie. InP en In0.52Al0.48As delen dezelfde roosterafstand en uitstekende afbraakeigenschappen, wat InAlAs een natuurlijke keuze maakt voor de vermenigvuldigingslaag. Recente vooruitgang in enkel-foton detectie, tijdsopgeloste spectroscopie, optische VLSI inspectie en 3-D laserafstandmeting heeft hernieuwde interesse in APD's gewekt.

Eerdere studies hebben enkel-foton APD's gerapporteerd met 10–30 % detectie-efficiëntie bij 1550 nm, en hebben de rol van tunneling in donker-tel generatie benadrukt. Hoewel InP-gebaseerde APD's uitvoerig gemodelleerd zijn, biedt InAlAs een grotere bandkloof, hogere elektronen-naar-gaten ionisatieverhouding, lagere overmaat ruis en verbeterde afbraakkarakteristieken. De wisselwerking tussen laag-parameters, vermenigvuldigingsdikte en tunneling blijft echter onderzocht.

In dit werk ontwikkelen we een theoretisch kader en 2-D simulatie om deze effecten te kwantificeren voor verticale InGaAs/InAlAs APD's werkend bij 1,55 µm.

Methodes

We formuleren de elektrische-velddistributie door de Poisson-vergelijking, depletielaagmodel en PN-overgangsvergelijkingen op te lossen voor een vereenvoudigde SACM structuur die de gradiëntlaag weglaat. De lading dichtheid in elke laag wordt uitgedrukt als ρ = qN, waar N de dopantconcentratie is en ε de dielektrische constante. De resulterende velduitdrukkingen (Verg. 1–11) vangen de afhankelijkheid van laagdiktes, dopingen en toegepaste bias.

Met het afgeleide veld lossen we de optimale laag-doping (N2) en dikte (w2) op die het absorptielaag-veld beperken tot 50–180 kV/cm terwijl een hoog lawijnveld in de vermenigvuldigingslaag behouden blijft. Vergelijking met experimentele data (Fig. 2) valideert de voorspellende capaciteit van Verg. 8.

Figuur 3 breidt de analyse uit tot vermenigvuldigingslagen van 300, 500 en 700 nm, wat aantoont dat dikke ladingslagen het toelaatbare dopingbereik vernauwen. Dit verklaart waarom moderate dopingvariaties de APD-prestaties aanzienlijk kunnen beïnvloeden.

Inclusie van Tunneling

Wanneer het absorptielaag-veld 1,8×10^5 V/cm overschrijdt, introduceert band-naar-band tunneling een additionele dragergeneratieterm Gbbt (Verg. 13). Deze term wijzigt de lokale ladingdichtheid en dus het elektrische veld in de vermenigvuldigingsregio. Vergelijkingen 14–16 vangen het gewijzigde veld, en de resulterende verandering in lawijnveld δE (Fig. 6) toont aan dat tunneling het vermenigvuldigingsveld en M_n (Verg. 19) verlaagt.

Simulatiemodel

We gebruikten een TCAD-gebaseerde 2-D apparaten simulator die drift-diffusie, band-naar-band tunneling, val-geassisteerde tunneling, Shockley–Read–Hall, Auger en Selberherr impact-ionisatiemodellen omvat. De gesimuleerde structuren (Fig. 7) komen overeen met experimentele apparaten in Ref. 13, met twee geometrieën: APD‑1 (800 nm vermenigvuldiging, 1800 nm absorptie) en APD‑2 (200 nm vermenigvuldiging, 600 nm absorptie).

Vergelijking van gesimuleerde en experimentele I‑V curves (Fig. 8) toont uitstekende overeenstemming voor zowel foto- als donkerstromen, wat de nauwkeurigheid van het model valideert.

Resultaten en Discussie

Invloed van Laagdikte

Simulaties met APD‑1 (800-nm vermenigvuldiging) bevestigen dat het vergroten van de laagdikte het acceptabele dopingbereik vernauwt (Fig. 9a). Dezelfde trend geldt voor APD‑2 (200-nm vermenigvuldiging, Fig. 9b). Fig. 9c toont nauwe overeenstemming tussen analytische voorspellingen (Verg. 8) en simulatie.

Figuren 10a–d illustreren hoe een 210-nm laag zeer gevoelig is voor dopingvariaties, terwijl een 50-nm laag bredere tolerantie biedt. Dus dunne ladingslagen bieden betere controleerbaarheid.

Tunneling Effect op Elektrisch-Veld Distributie

Simulaties (Fig. 12) onthullen dat wanneer het absorptielaag-veld de tunnelingsdrempel overschrijdt, het lawijnveld in de vermenigvuldigingsregio afneemt. Dit gedrag is consistent voor beide APD geometrieën en bevestigt de analytische voorspelling dat tunneling M_n verlaagt.

Figuur 12c,d plotten het absorptie- en vermenigvuldigingsveld versus bias. De abrupte daling in het vermenigvuldigingsveld zodra het absorptieveld de drempel kruist, illustreert de cruciale noodzaak om het absorptieveld onder 1,8×10^5 V/cm te houden bij afbraak.

Conclusies

We hebben een uitgebreid theoretisch en simulatiekader voor InGaAs/InAlAs SAGCM APD's vastgelegd. Belangrijkste bevindingen zijn:

1. De optimale laag-doping en dikte voor elke vermenigvuldigingsdikte kan analytisch berekend worden; voorspellingen komen overeen met experiment.
2. Dikkere ladingslagen versterken de doping tolerantie scherp, wat dunne ladingslagen preferabel maakt voor robuust ontwerp.
3. Tunneling in de absorptielaag verlaagt het lawijnveld en de vermenigvuldigingsfactor; het handhaven van het absorptieveld onder de tunnelingsdrempel is essentieel voor hoog-presterende APD's.

Deze inzichten maken nauwkeuriger ontwerp van SWIR APD's met verbeterde efficiëntie en lagere donker tellingen mogelijk.

Afkortingen

2D

Twee-dimensionaal

APD

Lawijnfotodiode

DCR

Donker tel snelheid

SACM APDs

Separate absorptie, lading, en vermenigvuldiging lawijnfotodiodes

SAGCMAPDs

Separate absorptie, gradiënt, lading, en vermenigvuldiging lawijnfotodiodes

SPAD

Enkel-foton lawijnfotodiode

SPDE

Enkel-foton detectie efficiëntie

SRH

Shockley–Read–Hall