InP 襯底上的雙載流子倍增雪崩光電二極管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

趙華良 彭紅玲 周旭彥 張建心 牛博文 尚肖 王天財(cái) 曹澎

1) (曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院,曲阜 273165)

2) (濰坊先進(jìn)光電芯片研究院,濰坊 261071)

3) (中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所,北京 100083)

4) (山東理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院,淄博 255049)

5) (濰坊學(xué)院物理與電子信息學(xué)院,濰坊 261061)

1 引言

雪崩光電二極管(APD)目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于商業(yè)、軍事和科研領(lǐng)域,推動(dòng)了光通信、成像[1?3]和單光子探測(cè)[4?6]等技術(shù)的發(fā)展.APD 結(jié)構(gòu)主要經(jīng)歷了分離吸收和倍增(separate absorption and multiplication,SAM)結(jié)構(gòu)[7?9]、分離吸收、漸變和倍增(separate absorption,grading and multiplication,SAGM)結(jié)構(gòu)[10,11]、分離吸收、漸變、電荷和倍 增(separate absorption,grading,charge and multiplication,SAGCM)結(jié)構(gòu)[12?14]等幾個(gè)階段的演變,其中SAGCM 結(jié)構(gòu)因其性能優(yōu)越而成為當(dāng)前使用最廣泛的APD 結(jié)構(gòu).如果在一種倍增層材料中,電子和空穴碰撞電離系數(shù)接近,則會(huì)產(chǎn)生較大的過(guò)剩噪聲[15,16],因此為降低APD 的噪聲,在一種倍增層材料中,一般采用單種載流子倍增[17,18],例如空穴注入型[19]結(jié)構(gòu)通常采用InP 等作為倍增層材料,而電子注入型[20,21]結(jié)構(gòu)通常采用In0.52Al0.48As 等作為倍增層材料.正因如此,對(duì)于當(dāng)前各種結(jié)構(gòu)的APD,在吸收層內(nèi)產(chǎn)生的光生載流子只有其中一種進(jìn)入倍增層發(fā)生雪崩倍增,另外一種載流子則沒(méi)有參與倍增.

APD 內(nèi)部能夠發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),可以提供更高的靈敏度[22?24],更適合于對(duì)微弱光信號(hào)的探測(cè).增益是表征APD 對(duì)光電流放大作用的性能參數(shù),在電場(chǎng)強(qiáng)度一定的條件下,增益的大小由材料的碰撞電離系數(shù)以及倍增層的厚度所決定[16,25,26],其中增大倍增層厚度雖然可以提高增益,但也會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)速度的下降以及過(guò)大的擊穿電壓.因此,目前提高APD 增益的主要方式是優(yōu)化制備工藝,以及選擇具有更佳碰撞電離系數(shù)的倍增材料[18,27,28],而很少有通過(guò)改進(jìn)結(jié)構(gòu)來(lái)提高APD 增益的報(bào)道.2013 年,Huang 等[29]有效地利用了倍增層中的死區(qū)空間[30],通過(guò)在此區(qū)域中交替生長(zhǎng)不同載流子倍增納米結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了在SAM 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的雙載流子倍增,通過(guò)模擬對(duì)比,顯示出更薄的倍增納米結(jié)構(gòu)可以獲得更高的增益,且不會(huì)引起過(guò)剩噪聲的明顯增加.因此,如何在采用工藝成熟的材料前提下,通過(guò)設(shè)計(jì)新的APD 結(jié)構(gòu)以獲得大的倍增增益,是值得去解決的問(wèn)題.

本文在傳統(tǒng)SAGCM-APD 的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),設(shè)計(jì)了兩種不同載流子都參與倍增的結(jié)構(gòu),將兩個(gè)倍增層分別置于吸收層上下兩側(cè),并通過(guò)電荷層來(lái)控制吸收層和兩個(gè)倍增層內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度,使得器件在一定的電場(chǎng)條件下,光生電子和空穴分別進(jìn)入各自的倍增層后同時(shí)發(fā)生倍增,因此器件具有更大的增益值.另外,以工藝較為成熟的InGaAs/InP/InAlAs 材料體系為例來(lái)介紹雙倍增層結(jié)構(gòu),根據(jù)入射波長(zhǎng)等不同應(yīng)用需求,可以在此結(jié)構(gòu)上使用其他材料體系.

2 APD 器件設(shè)計(jì)

器件結(jié)構(gòu)中以Si 和Be 分別作為n 型和p 型摻雜.器件外延結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.在p+InP(100)襯底上外延生長(zhǎng)0.2 μm p+InP 緩沖層(8×1018cm?3),用來(lái)防止襯底雜質(zhì)向外延層的擴(kuò)散;再依次外延生長(zhǎng)0.3 μm p+InP 歐姆接觸層(8×1018cm?3)、0.4 μm n? InP 空穴倍增層(2×1015cm?3)、0.06 μm n+InP 電荷層(3.4×1017cm?3)、0.05 μm n?InGaAsP漸變層(1×1015cm?3)、0.8 μm 非故意摻雜的In0.53Ga0.47As (下文稱(chēng)為InGaAs)吸收層、0.05 μm p?InGaAsP 漸變層(1×1015cm?3)、0.08 μm p+In0.52Al0.48As (下文為InAlAs)電荷層(3.6×1017cm?3)、0.4 μm p?InAlAs 電子倍增層(2×1015cm?3)、0.08 μm n+InAlAs 電荷層(2.4×1017cm?3),此處n+電荷層設(shè)計(jì)目的為增大電子倍增層的電場(chǎng)強(qiáng)度,這是因?yàn)镮nAlAs 材料具有比InP 材料更高的碰撞電離閾值[19?21].接著外延生長(zhǎng)0.2 μm n+InAlAs帽層(8×1018cm?3)、0.05 μm n+InGaAs 歐姆接觸層(8×1018cm?3),至此,完成主體結(jié)構(gòu)的外延設(shè)計(jì).

圖1 雙載流子倍增APD 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic diagram of double carrier multiplication APD structure.

光信號(hào)波長(zhǎng)為1.55 μm,采用從背面入射,結(jié)構(gòu)的陰極和陽(yáng)極分別與外電路的正極和負(fù)極連接,在反向偏壓下耗盡過(guò)程首先從兩個(gè)倍增層開(kāi)始,隨著偏壓的增大,耗盡區(qū)逐漸向吸收層擴(kuò)展,直至完成低摻雜區(qū)域的耗盡.依靠多個(gè)電荷層控制吸收層和兩個(gè)倍增層的電場(chǎng)強(qiáng)度大小,使得光生電子和空穴可以順利從吸收層進(jìn)入兩個(gè)倍增層發(fā)生雪崩倍增.圖2 為拉通后器件的能帶示意圖,光入射后,在吸收層產(chǎn)生光生電子和空穴(實(shí)心圓表示電子,空心圓表示空穴),如圖中的紅色實(shí)線箭頭所示,在電場(chǎng)的作用下,電子漂移至InAlAs 倍增層,空穴漂移至InP 倍增層,兩種載流子分別在兩個(gè)倍增層發(fā)生雪崩倍增效應(yīng),均產(chǎn)生大量的電子和空穴.紅色虛線箭頭表示在InP 倍增層碰撞電離產(chǎn)生的電子,又在電場(chǎng)的作用下,經(jīng)過(guò)吸收層后漂移至InAlAs倍增層,電子在這里發(fā)生了二次倍增;同樣,在InAlAs 倍增層碰撞電離產(chǎn)生的空穴經(jīng)過(guò)吸收層后,漂移至InP 倍增層,空穴在此處發(fā)生了二次倍增,相比于初次從吸收層產(chǎn)生進(jìn)入倍增層的光生載流子,進(jìn)行二次倍增的載流子經(jīng)過(guò)吸收層時(shí)會(huì)有相近或更大的漂移速度,因此參與二次倍增的載流子中更多的會(huì)進(jìn)入倍增層發(fā)生倍增效應(yīng),而不是在吸收層漂移過(guò)程中發(fā)生復(fù)合湮滅.雖然新結(jié)構(gòu)利用了兩種載流子參與倍增過(guò)程,但是對(duì)于其中任何一個(gè)倍增層而言,仍然為單載流子倍增形式,所以過(guò)剩噪聲不會(huì)急劇增加.

圖2 雙載流子倍增APD 能帶示意圖Fig.2.Band diagram of the double carrier multiplication APD.

3 仿真模擬

使用Silvaco TCAD 的Athena 和Atlas 分別對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝和器件仿真,其中器件仿真中用到的物理模型有: 濃度依賴(lài)遷移率模型(conmob)、載流子統(tǒng)計(jì)模型(Fermi-Dirac)、復(fù)合模型(srh,auger,optr)、能帶變窄模型(bgn),碰撞模型采用了Selb,Selberherr 和Zappa 模型.表1 列出了InAlAs 和InP 的碰撞電離系數(shù)的參數(shù),其中an,ap,bn和bp為碰撞模型中計(jì)算碰撞電離系數(shù)時(shí)的參數(shù)值.

表1 InAlAs 和InP 碰撞電離系數(shù)的仿真參數(shù)Table 1.Simulation parameters for the ionization coefficients of InAlAs and InP.

碰撞電離系數(shù)的計(jì)算公式為

這里,

(1)式、(2)式分別為Selberherr 模型和Zappa模型中計(jì)算碰撞電離系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式,其中α,β分別為電子碰撞電離系數(shù)和空穴碰撞電離系數(shù);En和Ep分別為電子和空穴能量;λn,λp分別為電子和空穴的平均自由程;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;k為玻爾茲曼常數(shù);T為開(kāi)爾文溫度值.

下文將雙載流子倍增APD 結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)Ⅰ.如圖3 所示,在零偏壓條件下,耗盡過(guò)程首先從兩個(gè)倍增層開(kāi)始,內(nèi)建電場(chǎng)使能帶在這兩個(gè)區(qū)域發(fā)生了彎曲,并且彎曲方向一致;另外,靠近吸收層兩側(cè)的p+電荷層和n+電荷層也構(gòu)成一個(gè)PN 結(jié),使得吸收層也發(fā)生一定程度的耗盡,所以吸收層能帶也發(fā)生一定的彎曲,只不過(guò)此處與兩個(gè)倍增層的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反,能帶彎曲方向也就不同.

圖3 結(jié)構(gòu)Ⅰ零偏壓能帶分布Fig.3.Energy band distribution under zero bias of structure I.

圖4 和圖5 分別為結(jié)構(gòu)Ⅰ在擊穿電壓下的電場(chǎng)分布和碰撞電離系數(shù)分布.由圖4 可以看出,通過(guò)電荷層的調(diào)節(jié),使得兩個(gè)倍增層的電場(chǎng)均高于吸收層的電場(chǎng),且吸收區(qū)電場(chǎng)低于其隧穿電場(chǎng),這樣的電場(chǎng)分布有以下優(yōu)勢(shì): 光生載流子可通過(guò)吸收區(qū)內(nèi)的電場(chǎng)越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入倍增層,而不在此處發(fā)生倍增效應(yīng);同時(shí),這種較低的電場(chǎng)也減少了在吸收層產(chǎn)生的隧穿暗電流;倍增層的高電場(chǎng)使進(jìn)入此區(qū)域的載流子與晶格發(fā)生碰撞電離,從而引起雪崩倍增效應(yīng),產(chǎn)生大的光電流輸出.因?yàn)镮nAlAs 材料比InP 材料的碰撞電離閾值高,所以需要讓InAlAs倍增層的電場(chǎng)高于InP 倍增層的電場(chǎng).需要注意的是,倍增層的電場(chǎng)并非越大越好,過(guò)大的電場(chǎng)會(huì)使倍增層能帶更加彎曲,從而會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的隧穿暗電流.

圖4 結(jié)構(gòu)Ⅰ在擊穿電壓下的電場(chǎng)分布Fig.4.Distribution of electric field at breakdown voltage for structure Ⅰ.

圖5 結(jié)構(gòu)Ⅰ在擊穿電壓下的電離系數(shù)分布Fig.5.Distribution of ionization coefficient at breakdown voltage for structure Ⅰ.

圖6 為模擬得到的結(jié)構(gòu)Ⅰ的I-V特性曲線和增益曲線,圖7 為結(jié)構(gòu)Ⅰ在不同電壓下對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)分布,在反向偏壓為15 V 時(shí),首先完成了InP 倍增層至吸收層下邊緣的耗盡過(guò)程,此時(shí)暗電流的急劇增加由產(chǎn)生-復(fù)合暗電流的突變引起[31],由于吸收層內(nèi)無(wú)電場(chǎng),光生載流子無(wú)法越過(guò)勢(shì)壘進(jìn)入倍增層發(fā)生倍增效應(yīng),因此無(wú)光電流產(chǎn)生;當(dāng)反向偏壓為36 V 時(shí),完成了InAlAs 倍增層至吸收層上邊緣的耗盡過(guò)程,此時(shí)吸收層電場(chǎng)和光電流仍為零;隨著反向偏壓的繼續(xù)增大,吸收層內(nèi)部開(kāi)始耗盡而產(chǎn)生電場(chǎng),光電流也因此開(kāi)始產(chǎn)生,直至反向偏壓為38 V 時(shí),完成了整個(gè)器件的拉通,對(duì)應(yīng)穿通電壓Vp=38 V;器件的擊穿電壓Vb=69 V,在95%Vb反向偏壓下,直徑100 μm 的器件暗電流為1.5 nA,光電流為35 nA,對(duì)應(yīng)的增益M為35 左右.

圖6 結(jié)構(gòu)Ⅰ的I-V 特性與增益曲線Fig.6.Currrent-voltage characteristics and gain of the structure Ⅰ.

圖7 不同反向偏壓下結(jié)構(gòu)Ⅰ的電場(chǎng)分布Fig.7.Electric field distribution of structure Ⅰ under the different reverse bias voltage.

將傳統(tǒng)單載流子倍增APD 仿真結(jié)果與本文新結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比,為方便表述,下文將傳統(tǒng)單InP 倍增層結(jié)構(gòu)和單InAlAs 倍增層結(jié)構(gòu)分別定義為結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ.需要注意的是,在仿真單載流子倍增APD 結(jié)構(gòu)時(shí),采用的仿真模型、材料參數(shù)、器件尺寸等與結(jié)構(gòu)Ⅰ保持一致,以保證對(duì)比結(jié)果的可靠性.另外也要使結(jié)構(gòu)Ⅱ和Ⅲ的性能參數(shù)達(dá)到文獻(xiàn)[32]報(bào)道的正常水平,其中倍增層厚度為0.4 μm 和提供足夠碰撞電離所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度的條件下,理論計(jì)算的單InP 倍增層結(jié)構(gòu)的平均增益范圍為4—18,實(shí)驗(yàn)測(cè)試的增益為10 左右[33,34].相同的條件下,理論計(jì)算的單InAlAs 倍增層結(jié)構(gòu)的平均增益范圍為3—20[32],實(shí)驗(yàn)測(cè)試的增益為15 左右[33].圖8 為模擬得到的結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ的I-V特性以及增益曲線,表2 為3 種結(jié)構(gòu)的特性對(duì)比結(jié)果: 由于結(jié)構(gòu)Ⅰ耗盡區(qū)寬度的增大,要想獲得與結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ耗盡區(qū)相同的電場(chǎng),結(jié)構(gòu)Ⅰ需要更大的反向偏壓,所以結(jié)構(gòu)Ⅰ的穿通電壓和擊穿電壓都會(huì)比結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ大.圖9 為簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)Ⅰ電場(chǎng)分布圖,其中忽略了厚度較薄的電荷層和漸變層,以及無(wú)電場(chǎng)分布的帽層和接觸層,(3)式為與圖9 對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)Ⅰ電壓Vapd表達(dá)式:

表2 三種結(jié)構(gòu)特性對(duì)比Table 2.Comparison of the characteristics of three structures.

圖8 I-V 特性與增益曲線 (a)結(jié)構(gòu)Ⅱ;(b)結(jié)構(gòu)ⅢFig.8.Curve of I-V characteristics and gain: (a) StructureⅡ;(b) structure Ⅲ.

圖9 簡(jiǎn)化的結(jié)構(gòu)Ⅰ電場(chǎng)分布Fig.9.Electric field distribution of the simplified structure Ⅰ.

式中,Vm1,Va,Vm2分別為InP 倍增層、吸收層、InAlAs 倍增層的電壓降,Exm1,Exa,Exm2為這3 個(gè)區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度.可以看出,對(duì)比結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ,在保證各對(duì)應(yīng)功能層厚度和電場(chǎng)分布相同的條件下,落在耗盡區(qū)各部分的電壓降基本沒(méi)有變化.也就是說(shuō),表2 中結(jié)構(gòu)Ⅰ相對(duì)于結(jié)構(gòu)Ⅱ或結(jié)構(gòu)Ⅲ高出的擊穿電壓值,主要是所增加的一個(gè)倍增層的電壓降.關(guān)于暗電流,結(jié)構(gòu)Ⅰ相對(duì)于結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ而言,增加一個(gè)倍增層后并沒(méi)有引起暗電流的顯著增大,這是因?yàn)樵诒对鰧觾?nèi)產(chǎn)生的暗電流主要成分為高電場(chǎng)下的隧穿暗電流,而本文在仿真過(guò)程中,對(duì)兩個(gè)倍增層的電場(chǎng)進(jìn)行一定的控制,避免過(guò)高電場(chǎng)而導(dǎo)致的帶間隧穿暗電流的增大.因此,增加一個(gè)倍增層后的結(jié)構(gòu),可以保持與單倍增層結(jié)構(gòu)相近的暗電流水平.

增益方面,由于結(jié)構(gòu)Ⅰ中空穴倍增層與結(jié)構(gòu)Ⅱ中倍增層的材料和厚度相同,并且調(diào)節(jié)后兩層的電場(chǎng)大小接近,所以可以推測(cè),在結(jié)構(gòu)Ⅰ的空穴倍增層中產(chǎn)生的增益應(yīng)該接近結(jié)構(gòu)Ⅱ產(chǎn)生的增益;同理,在結(jié)構(gòu)Ⅰ的電子倍增層中產(chǎn)生的增益應(yīng)該接近結(jié)構(gòu)Ⅲ產(chǎn)生的增益.另外,在結(jié)構(gòu)Ⅰ中的空穴倍增層碰撞形成的電子進(jìn)入到電子倍增層后也會(huì)參與電子主導(dǎo)的雪崩倍增而增加光電流輸出.同理,在電子倍增層碰撞形成的空穴進(jìn)入空穴倍增層后也會(huì)參與空穴主導(dǎo)的雪崩倍增,進(jìn)而也會(huì)增加結(jié)構(gòu)Ⅰ增益.總之,由于結(jié)構(gòu)Ⅰ實(shí)現(xiàn)了兩種載流子分別在兩個(gè)倍增層內(nèi)同時(shí)倍增,因此會(huì)產(chǎn)生比結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ更大的光電流增益.從理論上來(lái)說(shuō),結(jié)構(gòu)Ⅰ的增益值應(yīng)該接近結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ的增益值之和,仿真結(jié)果基本符合此理論預(yù)測(cè).

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)SAGCM 單載流子倍增結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了雙載流子倍增的APD 新結(jié)構(gòu),其中電子倍增層選用的材料為InAlAs,空穴倍增層選用的材料為InP,可以實(shí)現(xiàn)電子和空穴在兩個(gè)倍增層分別進(jìn)行倍增,在不增加暗電流的基礎(chǔ)上,顯著提高了光電流增益.使用Silvaco TCAD 軟件對(duì)3 種結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了仿真,在95%擊穿電壓和器件直徑為100 μm 條件下,三者的暗電流水平幾乎相同,結(jié)構(gòu)Ⅰ的暗電流為1.5 nA,結(jié)構(gòu)Ⅱ的暗電流為2 nA,結(jié)構(gòu)Ⅲ的暗電流為1.5 nA.增益方面,結(jié)構(gòu)Ⅰ相對(duì)于后兩種結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢(shì),結(jié)構(gòu)Ⅰ增益值為35,結(jié)構(gòu)Ⅱ和結(jié)構(gòu)Ⅲ增益值分別為15 和18,顯示出雙載流子倍增APD 在探測(cè)極微弱信號(hào)領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力.

本文使用的結(jié)構(gòu)是InP 襯底上的InP/InGaAs/InAlAs 材料體系,基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架,可以對(duì)襯底、電子倍增層、空穴倍增層等外延層進(jìn)行材料替換,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)應(yīng)材料體系下的雙載流子倍增.

感謝中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所和濰坊先進(jìn)光電芯片研究院給予的技術(shù)和資金支持,感謝曲阜師范大學(xué)的培養(yǎng)和支持.