InGaAsInP雪崩光电探测器异质结结构优化分析

ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ａ ｓｅｃｔｉｏｎａｌ ｃｈａｌ－ｇｅ ｌａｙｅｒ ＳＡＣＭ—ＡＰＤ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｔｈｅ ｉｓａＩｎｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ．Ｔｈｅ ｓｉｍ－
ｕｌａｆｉｏｎｓ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｏｍｐｏｓｅｄ ｂ）ｒ ｇｅｎｉｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ｃｈａｒｇｅ ｌａｙｅｒ ｉｎ ＳＡＣ，ＣＭ－ＡＰＤ ｃｏｕｌｄ ｍａｋｅ
（ｂ）ＳＡＣ，ＣＭ—ＡＰＩ）
万方数据
３ ＡＰＳＹＳ仿真与比较分析
平衡状态下的两个器件的部分结构能带情况如
图２所示，能带结构显示，ＳＡＧＣＭ结构的ＡＰＤ的能
带在酬ｅ层ＩｎＧａＡｓＰ宽度要比ＳＡＣＭ结构中
ＩｎＧａＡｓＰ层ｃＩｍｇｅ层能带宽【８』。吸收层与倍增层之 间的异质结对于ＳＡＧＣＭ ＡＰＤ结构来说更有利于降 低在低偏压下的暗电流，并在后面的分析当中陈述 清楚。
Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｎｏｒｍａｌ
ｃｈａｒｇｅ蛳ｈ特ｗｅｅｎ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ（ＡＰＤ）ｗｉｔｈ ＩｎＧａＡｓＰ ｇｒａｄｅ ｌａｙｅｒ ａｎｄ ＩｎＰ
攘娶：根据一个吸收蒺、毫莺层和繁增层分立结攘（ＳＡＣＭ）的ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ雪袋光电探测器，
减薄电荷层酶厚度褥孳ｌ入渐变层，保持材糟与厚度不变，改进成吸收层、电荷层、过渡层与倍增 层分敷结构（ＳＡＧＣＭ）的雪崩光电探测器，优化了吸收层与倍增层间材料的异质结结构。采用
ＡＰＳＹＳ软件对其能带结构、电场分布以及暗电流和１．５５ｔｕｎ的脉冲光响应电流、增攘等进行仿 真每计算。对比两秘器馋的牲能，结暴分折表明，改进后的器件获褥更低酶穿通值电压，降低
图１（ａ）是一个设计的ＳＡＣＭ器件剖面结构＂ｏ， Ｎ＋型的ＩｌｌＰ衬底掺杂浓度为１ ｘ １０培ｃｍ一，接着生 长３００ｎｍ厚的ＩｎＰ缓冲层，Ｎ＋掺杂浓度为１×
１０１７ｃｍ～，１０００ｎｍ厚的吸收层Ｉｎｏ．５３诋。钾Ａｓ材料Ｎ
型掺杂浓度为ｌ×１０１５ｃｍ一，而在吸收层和倍增层之 间连续采用了两层的电荷层，分别为ＩｎＧａＡｓＰ和 ＩｎＰ，厚度都是７０ｈｍ掺杂浓度也一致是Ｎ＋型１．５ Ｘ １０１７ｃｍ一，在倍增层与吸收层之间可以形成足够的 电场差降，设计中为了得到较低击穿电压，倍增层的 厚度为５００ｎｍ的低掺杂（１×１０”ｃｍｑ）的Ｎ型ＩｎＦ 材料，最上层１０００ｎｍ厚的接触层为Ｐ＋掺杂的ＩｎＰ 材料，浓度为１ Ｘ １０１８ｃｍ一，上下的电极都是欧姆 接触。 ２．２ ＳＡＧＣＭ—ＡＰＤ结构
而在此同时，热激发的载流子同样因为电场作
用下形成暗电流最主要的是产生复合电沆（Ｇ—Ｒ Ｃｕｒｒｅｎｔ）¨引。而对于ＩｎＰ的非掺杂倍增区和低掺杂
的ＩｎＧａＡｓ吸收区，空问电荷密度是很小的。因此， 耗尽区主要向吸收区扩展，即使电场增大到能产生 隧道效应，贯穿深度也是微米数量级，隧穿电流将是 非常小。如图３所示，ＳＡＧＣＭ结构得到暗电流在穿 通电压后迅速上升，与ＳＡＣＭ结构在雪崩击穿后的 暗电流相当，说明了暗电流主要来自热激发载流子 形成的产生复合电流，其值与吸收层耗尽厚度有关， 而在两种器件相同的ｌｎＧａＡｓ吸收层厚度，暗电流值 也理应相当。在低偏压情况下（穿通电压之前）的 Ｉ—Ｖ曲线中可以看到，ＳＡＣＭ结构有较大的漏电流。
骥了在低偏压下具有更低的漏电流的原因（雪崩击 穿电歪前），说明使蔫渐变瑟对暗电流的控裁超蓟 了一定的作用。
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童ｕ
舅
ｌｔ＇ｅｖ＇ｅｎｅ ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ／Ｖ 图３ ＳＡＣ，ＣＭ—ＡＰＤ与ＳＡＣＭ—ＡＰＤ暗电流比较
３。２ ＳＡＧＣＭ—ＡＰＤ电场分布 在ＡＰＤ器件研究中首先就会想舞在电荷层里
ＬＥＩ Ｗｅｉ，ＧＵＯ Ｆａｎｇ—ｒａｉｎ，ＨＵ Ｄａ—ｐｅｎｇ，ＺＨＵ Ｚｉ－ｑｉａｎｇ，ＣＨＵ Ｊｕｎ—ｈａｏ
Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈ喇２０００６２，Ｃｈｉｎａ） （Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ
根据底偏压下的产生复合电流方程¨川： ｋ—Ｒ釜（ｑｎ；ｃＡＷ／＊＇，ａ）［１－ｅｘｐ（－ｑＶｊ２ｋｒ］ （１） 其中，口是电子的电荷；Ｊ｜Ｉ是玻尔兹曼常数；ｎ。为本征
１００２
激光与红外
第３８檄
载流子浓度；，硪载流子的有效寿会露彩耗尽鬃宽
度；对以直接丽言，Ｗ＝［２ｋｓ（蚝＋魄）ｑＮＤ］沈，虼外
加偏压，Ｋ；内建电势，ｋ。是电介质常数。 Ｄａｖｉｄ Ｐ．ＭｃＥｌｒｏｙ等人在研究中报道了溆度对
第３８卷 第１０期 ２００８年ｌＯ月
激光与红外
ＬＡＳＥＲ ＆ＩＮＦ姒ＲＥＤ
Ｖ０１．３８，Ｎｏ．１０ Ｏｃｔｏｂｅｒ，２００８
文章编鼍：１００１－５０７８（２００８）１０－１０００－０４
·红外材料与器件·
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ雪崩光电探测器异质结结构优化分析
雷玮，郭方敏，胡大鹏，朱自强，褚君浩
（华东师范大学信息学院极化材料与器件教育部重点实验室，上海２０００６２）
ｍ·Ｉ】ｐｌｉ∞ｂｎ Ｌ８ｙｅｒ ＩＩ一（Ｎ） ５００ｎｍ
ｃｈａｒｇｅ ｌａｙｅｒ ｌｎＰ（Ｎ＋）
７０１ａｍ
ｃＩｌａ】ｌ馨ｅ ｈｙｅｒ ｈｔＣ．ａＡｓＰ（Ｎ＋）７０ｒａｎ
ａｂＭ砸∞ｌ驴ｌ舢（Ｎ）１０００ｎｍ
ｍｕｌｐｌｉｃａｔｉｎ ｌ叩ＩｎＰ（Ｎ）５００ｈｍ
ｃａａｒｇｅ ｌａｙｅｒ Ｉｎ／＇（Ｎ＋１
７０ｎｍ
蔫金项目：科技部獯大项蠢（Ｎｏ。２００６ＣＢ９３２８０２）资助。 作者简介：雷玮（１９８２一），男，在读礤士研究生，主要从搴毕 导体光电探测器研究。 收稿日期：２００８４）４－２０；修订日期：２００８－０７－１６
万方数据
激光与红外Ｎｏ．１０ ２００８
雷玮等ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ雪崩光电探测器异质结结构优化分析
ｌｏｗｅｒ ｌｅａｋａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｔ ｔｈｅ ｌｏｗｅｒ ｒｅｖｅｒｓｅ ｂｉａｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｔｏ ＳＡＣＭ·ＡＰＤ．Ａ ｌｏｗｅｒ ｐｕｎｃｈ－ｔｈｒｏｕｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ，ｂｒｅａｋ－
ｄｏｗｎ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｅａｔｅｒ ｓａｉ－ａｌｓｏ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｉｎ ＳＡＧＣＭ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｔｏ ＳＡＣＭ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ。
鲫如ｌ唧啊ｈＧ“擅（Ｋ）弛哪旺
ａｂⅫ洳Ｉ蛔口Ｉ舢（Ｎ）１０００ｎｍ
ｂ“ｆｆｅｒ ｌａｙｅｒ ＩｌｌＰ（Ｎ＋）
¨ｂｅ喇ｅ柚（Ｎ＋） ＳＡＣＭ—Ａｍ
３００ｈｍ （ａ）
ｂｌ蕊ｒ ｈｔｙｅｒＩｎＰ（Ｎ＋） ．ｔｔｂ．ｔｒ眦ｌｎＰ（Ｎ＋）
ＳＡＧＥＭ—Ａ珊ｌ
３００ｈｍ （ｂ）
图１ ＡＰＤ器件结构剖面图
（ａ）ＳＡＣＭ—ＡＩＤ
ｔｈｅ
ＩｎＧａＡｓ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｎＰ ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｒｅｇｉｏｎ（ＳＡＧＣＭ·ＡＰＤ）ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ。ＡＰＳＹＳ￥ｏｆｔｗａｌ－ｅ硐稻ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｎｄ，ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｆｉｅｌｄ，ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ ｐｌｕｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｔ ｔｈｅ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ １．５５ｐｒｏ．Ｒｅｓｕｌｔｓ
分立（ＳＡＧＣＭ ＡＰＤ）［４３，是由于ＳＡＧＣＭ结构在吸收 区与倍增区闻引入薄的高浓度掺杂层锃为电场控制 艨，倍增区电场分帮更为均匀，也提供足够的毫场差 降，确保倍增层发嫩倍增效应，当单种载流子输运剃 倍增区域时，在这种结构中倍增噪声得到降低，其中 渐变层的介入降低了ＩｎＧａＡｓ与ＩｎＰ材料禁带边上
面的电离情况，倍增区相邻的电荷层可以为其提供 很高而且均匀的电场，高电场也有利于增加电子和 空穴的碰撞离佬率（（ａ），（参）），使碰撞离化率之毙
郝增搬。戴终，倍增区的高电场也会导致载流子
输运距离和输运时间以及雪崩时间的减少。另外一 个方面就是应该将电荷层的厚度减到足够薄，这样 就可以保证电荷层浓度为常数提高性能，采耀单层 的薄电荷藩将可激获得更低的穿逶电压Ｈ３｜。匿４ 是仿真ＳＡＧＣＭ结构外加不同反偏下得到的电场分 布情况。改进后的７０ｎｍ高掺杂的电荷层，在加反 偏压后提供给倍增层均匀电场，倍增区的电场大小 随着电压的舞高恧增燕，在反镳为１０Ｖ辩毫荷凄糜 好耗尽，当反向偏压在３４．５Ｖ时处于反向击穿电压 附近，这个时候倍增区的电场达到最大，相对于图３ 中ＳＡＣＭ—ＡＰＤ器件吸收层耗尽约为１５Ｖ电压，
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３．６Leabharlann ｄｉ吐跚口巴／仙ｍ图２ ＳＡＣＭ—ＡＰＤ与ＳＡＧＣＭ—ＡＰＤ部分能带结构 ３．１ 暗电流的仿真对比
随着外加反向偏压的增加，在吸收层里面耗尽 的宽度也随之增大，内建电场也会随着Ｐ—Ｎ结耗 尽扩散以指数方式增长，高量子效率的获得需要使 得吸收层耗尽旧Ｊ。当外加偏压大于雪崩击穿电压 的时候，ｌｎＧａＡｓ吸收层吸收光子而产生的载流子在 异质结界面的电场作用下发生漂移，并被扫入倍增 区继而发生倍增效应。
１００１
的累积效应。而今随着要求的提高和技术的日趋成 熟，低击穿电压和倍增层的厚度是ＡＰＤ应用当中面 临的两个重要参考参数【５娟１。
ＡＰＤ的设计期望性能和制造实际性能，本质上 取决于器件内部的电场强度和分布。本文从一个双 电荷层的ＳＡＣＭ—ＡＰＤ器件出发，减薄电荷层厚度并 采用渐变层代替，而得到改进的ＳＡＧＣＭ—ＡＰＤ，优化 ＡＰＤ器件中吸收层与倍增层之间的异质结结构，采用 ＡＰＳＹＳ软件进行仿真，比较结果表明可以获得更低的 穿通电压（ｐｕｎｃｈ ｔｌ确ｏｕ＃ｖｏｌｔａｇｅ），可以在低偏压下更 好控制漏电流，同时也得到更大的增益。 ２ ＳＡＣＭ—ＡＰＤ与ＳＡＧＣＭ—ＡＰＤ的结构 ２．１ ＳＡＣＭ—ＡＰＤ结构
探测器在低偏压下辩灞电流，离时得到更夫酶增益。
’
关键词：雪崩光电探测器；ＳＡＣＭ结构；ＳＡＧＣＭ结构；暗电流；增益；ＡＰＳＹＳ
中圈分类号：ＴＮ２１５
文献标识码：Ａ
Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｆｏｒ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＩｎＧａＡｓ／ｂＰ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ
ＳＡＧＣＭ结构可泼获得更低的穿通电蘧。
．３．￥×１０ｓ ０ ３．０×１０５ ｏ ２．５Ｘ１伊 皇２．０×１０ｓ 嚣ＬＳ×１０ｅ
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在本文中，我们对上述器件材料加以改进，保留 ＩｎＰ电荷层，而将ＩｎＧａＡｓＰ电荷层改成渐变层，Ｐ组 分在这层材料当中从０至１渐变，掺杂浓度为Ｎ型 ｌ×１０１５ｃｍ一，其他的层材料保持厚度与参杂浓度不 变，如图ｌ（ｂ）所示。
∞删ｌａｙｅｒ柚（Ｐ＋）１０００ｎｍ ｅｏｎｔｔｌｅｔ Ｉ研＂ｋｔｅ（Ｐ＋，
１０００ｎｍ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｖａｌａｎｃｈｅ ｐｈｏｔｏ－ｄｅｔｅｃｔｏｒ；ＳＡＣＭ；ＳＡＧＣＭ；ｄａｒｋ ｃｕｒｒｅｎｔ；ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｇａｉｎ；ＡＰＳＹＳ
１ 引言 高灵敏襁宽带宽的光探测器在光通信波长在
０＋８～ｌ。６ｐＬｍ领域中应用非常重要。基于ＩｎＧａＡｓＷ ＩｎＰ材料体系的雪崩光电探测器（ＡＰＤ）和ＰＩＮ探测 器是在这些应用当中最为广泛的一类。曾有报道， ＰＩＮ光电探测器可以获得较高的响应度，但相对于 ＡＰＤ来说，它不麓提供蠹部增益Ｈ。２ｊ。秀了获褥更 高性能的ＡＰＤ，曾有提出避将吸收层和倍增层分 开，即ＳＡＭ—ＡＰＤ【３１可降低器件的暗电流，也有提 出将ＡＰＤ器件中的吸收层、渐变层、电荷层、倍增层
ＡＰＤ漏电流的影噙Ｈ２｜，漏电流（主要是产生复合电
流）可以赉下式表示出来：
ｋ＝（严）（ｅ一驴７）
（２）
从式（１）、式（２）中可以看出，低偏压下的产生
复合电流与耗尽层的厚度有很大关系，同对与搴｜料 的蔡带宽度蠢明显关系，当禁带宽度变小时，漏电流 会明显地增加。结合图２中显示的材料禁带宽度可
以看到ＳＡＧＣＭ结构的禁带要较ＳＡＣＭ宽，这也说