Optimalisatie van elektrisch-velddistributie in InGaAs/InAlAs enkel-foton lawine-fotodiodes

Samenvatting

Deze studie presenteert een rigoureze twee-dimensionale TCAD-simulatie van InGaAs/InAlAs lawine-fotodiodes (APDs) en enkel-foton lawine-fotodiodes (SPADs) die in Geiger-modus opereren. Wij analyseren elektrisch-veldb profielen en tunnelmechanismen, en stellen vast dat een vermenigvuldigingslaag-dikte van meer dan 300 nm het veld onder de tunnel-drempel van 6,8×10⁵ V cm⁻¹ houdt. Hoog-bias operatie met een optimaal gedopte ladinglaag onderdrukt tunneling in de absorptielaag nog verder, wat donkertel-rates verlaagt.

Achtergrond

InGaAs/InAlAs en InGaAs/InP APDs domineren kortgolvige infrarood (SWIR) detectie, wat enkel-foton-telling op 1550 nm mogelijk maakt. Vergeleken met fotoverveelvoudigers bieden deze apparaten hoge betrouwbaarheid, lage bias, compacte vormfactor, en uitstekende tijdresolutie. Recente vooruitgang in kwantum-sleutelverdeling heeft hun implementatie versneld.

SPADs opereren in Geiger-modus, waarbij een omgekeerde bias boven breakdown wordt toegepast om lawine-versterking te bereiken die een enkele foton omzet in een macroscopische puls. Het InAlAs-materiaal biedt een hogere elektronen-gaten ionisatiecoëfficiënt-verhouding dan InP, wat resulteert in een lagere overmaat-ruisfactor en een hogere versterking-bandbreedteproduct. De grotere bandgap onderdrukt ook tunneling, wat de donkertel-rate (DCR) verlaagt en temperatuurstabiliteit verbetert.

Hoewel InGaAs/InAlAs APDs enkel-foton-detectie-efficiëntie (SPDE) tot 26% bij 210 K hebben bereikt, blijven hun DCRs hoger dan de <10⁴ Hz typisch voor state-of-the-art InP SPADs. De overmaat DCR ontstaat uit band-naar-band en val-geassisteerde tunneling gedreven door hoge elektrische velden. Het optimaliseren van de elektrisch-velddistributie—door ladinglaag-doping en vermenigvuldigingslaag-dikte—is daarom kritiek voor SPAD-prestaties.

Methoden

Wij voerden twee-dimensionale TCAD-simulaties uit op een front-geïllumineerde SAGCM InGaAs/InAlAs APD-structuur (Fig. 1). Het model omvat de Selberherr impact-ionisatie, drift-diffusie, Poisson, en lading-continuïteitsvergelijkingen, alsook band-naar-band en val-geassisteerde tunneling. Fermi-Dirac-statistieken, Auger-recombinatie, Shockley-Read-Hall-recombinatie, laag-veld mobiliteit, snelheidsverzadiging, en straal-tracing werden ook meegenomen.

De epitaxiale stapel, van substraat naar contact, omvat een contactlaag, bekledingslaag, vermenigvuldigingslaag, ladinglaag, gradiëntlaag, absorptielaag, gradiëntlaag, bekledingslaag, en contactlaag. Een InAlGaAs gradiëntlaag mitigeert elektronen-ophoping aan de InGaAs-InAlAs interface.

Het elektrisch veld ξ(x) voldoet aan de Poisson-vergelijking $$\frac{d\xi}{dx}=\frac{\rho}{\varepsilon}=\frac{q\,N}{\varepsilon}\,,$$ en de bias-randvoorwaarde $$V_{\text{bias}}+V_{\text{bi}}=-\int_{0}^{w}\xi(x,w)\,dx\,.$$ De tunnel-generatiesnelheid voor band-naar-band tunneling is $$G_{\text{btb}}=\sqrt{\frac{2m^{\ast}}{E_g}}\frac{q^2E}{(2\pi)^3\hbar}\exp\!\left(-\frac{\pi}{4q\hbar E}\sqrt{\frac{2m^{\ast}E_g^3}{2}}\right)\,,$$ wat een tunnel-stroomdichtheid oplevert $$\frac{I_{\text{tunnel}}}{A}=G_{\text{btb}}\,q\,w_{\text{tunnel}}\,.$$

Figuur 2 toont aan dat tunneling significant wordt bij 2,0×10⁵ V cm⁻¹ in InGaAs en 6,9×10⁵ V cm⁻¹ in InAlAs, overeenkomend met literatuurdrempels. De simulatieparameters zijn vermeld in Tabel 1.

Resultaten en Discussie

Elektrisch-velddistributie in Geiger-modus

Figuur 4 en 5 illustreren de gesimuleerde veld-spanningskarakteristieken voor vermenigvuldigings- en absorptielagen onder Geiger-bias. Met een 50 nm ladinglaag en vermenigvuldigingslagen van 100–300 nm, stijgt het absorptieveld lineair met bias, terwijl het vermenigvuldigingsveld verzadigt naarmate de apparaat breakdown nadert.

In Geiger-modus overschrijdt het absorptieveld 5×10⁴ V cm⁻¹, voldoende voor ladingstransport, maar blijft onder de 1,8×10⁵ V cm⁻¹ tunnel-limiet. Het vermenigvuldigingsveld piekt boven 6×10⁵ V cm⁻¹; dus een dikker vermenigvuldigingslaag verlaagt het piekveld en mitigeert tunneling.

Ontwerp Overwegingen

Figuur 6 demonstreert dat het verhogen van de vermenigvuldigingsdikte van 100 tot 500 nm het piekveld onder de tunnel-drempel brengt terwijl hoge versterking behouden blijft. Daarom wordt een vermenigvuldigingsdikte > 300 nm aanbevolen voor Geiger-modus SPADs.

Het aanpassen van de ladinglaag-doping vormt ook het absorptieveld. Figuur 7 toont aan dat een hoge dopingconcentratie (≥ 4,5×10¹⁷ cm⁻³) het absorptieveld onder de tunnel-limiet houdt zelfs bij hoge bias, terwijl lagere dopingniveaus de drempel te vroeg bereiken. Dus een optimale balans van ladinglaag-doping en vermenigvuldigingsdikte is essentieel.

Conclusies

Onze twee-dimensionale simulatie bevestigt dat een vermenigvuldigingslaag-dikte van meer dan 300 nm en een zwaar gedopte ladinglaag InGaAs/InAlAs SPADs in staat stellen om in Geiger-modus te opereren terwijl tunnelstromen onder de kritieke drempels blijven. Deze ontwerpregels vertalen direct naar lagere DCRs en hogere SPDEs voor 1550-nm enkel-foton-detectie.

Afkortingen

2D

Twee-dimensionaal

APD

Lawine-fotodiode

DCR

Donkertel-rate

SAGCMAPDs

Separate absorptie, gradiënt, lading, en vermenigvuldiging lawine-fotodiodes

SPAD

Enkel-foton lawine-fotodiode

SPDE

Enkel-foton detectie-efficiëntie