InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管InP顶层掺杂研究

发布时间：2021-07-05 14:54

　　通过理论计算和对比实验研究了InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管中InP顶层掺杂浓度对于器件性能的影响.理论结果显示,InP顶层的掺杂浓度越低越有利于抑制边缘击穿,降低隧穿暗载流子产生速率,提高雪崩击穿几率.实验结果显示,顶层非故意掺杂的器件在223K下获得了20%的单光子探测效率和1kHz的暗计数率,其单光子探测效率比顶层掺杂浓度为5×10¹⁵/cm³的器件高3%⁸%,而暗计数率低一个量级.结果表明,降低InP顶层的掺杂浓度有利于提高器件性能. 

【文章来源】：红外与毫米波学报. 2017,36(04)北大核心EISCICSCD

【文章页数】：5 页

【部分图文】：

平面型InGaAs/InPSPAD结构示意图

InPSPAD的前提．本文通过理论计算和对比实验研究了InP顶层掺杂浓度对于InGaAs/InPSPAD性能的影响．其中理论计算基于载流子漂移-扩散模型和Zappa等人［9］建立的碰撞离化模型．图1平面型InGaAs/InPSPAD结构示意图Fig．1SchematicdiagramofplanartypeInGaAs/InPSPAD1模拟计算1．1顶层掺杂对边缘击穿抑制的影响抑制边缘击穿是平面型SPAD研制的关键之一．平面型SPAD一般采用阶梯型PN结结构［7］逐级削弱边缘电场强度，实现边缘击穿的抑制．边缘击穿抑制效果决定于器件内部电场分布及不同区域的击穿电压．图2是击穿电压下不同顶层掺杂浓度的器件内部电场分布，其中图2(a)横轴D是阶梯结中心和边缘的深度差，纵轴E/EC是图2(b)中所标注的各区域电场强度与中心倍增区电场强度之比．吸收层厚度为2μm，倍增层厚度为1μm．由图2可见，阶梯结中心和边缘深度差相同时，顶层掺杂浓度越低边缘各区域电场强度越低．图3是不同顶层掺杂浓度的器件击穿电压与倍增层厚度的关系，其中吸收层厚度为2μm，调节电荷层掺杂浓度使倍增层厚度为1μm时器件击穿电压相同．由图3可见，顶层掺杂浓度越低，器件击穿电压随倍增层厚度变化越快．因此当阶梯结中心和边缘深度差相同时，顶层掺杂浓度越低阶梯结边缘击穿电压越高．边缘局域电场越低、边缘击穿电压越高则边缘击穿抑制效果越好．因此降低顶层掺杂浓度有利于抑制边缘击穿．另外，顶层低掺杂可以有效降低器件表面电场强度(图2中E4)，有利于防止半导体/电介质界面处高电场导致的器件失效，提高器件可靠图2击穿电压下不同顶层掺杂浓度的器件内部电场分布Fig．2Electricfielddistributionasafunctionofdopingdensityofthecaplayeratbreakdownvoltage图3InGaAs/InPSPAD击穿电压—倍?

粼优ǘ仍降停?骷?鞔?电压随倍增层厚度变化越快．因此当阶梯结中心和边缘深度差相同时，顶层掺杂浓度越低阶梯结边缘击穿电压越高．边缘局域电场越低、边缘击穿电压越高则边缘击穿抑制效果越好．因此降低顶层掺杂浓度有利于抑制边缘击穿．另外，顶层低掺杂可以有效降低器件表面电场强度(图2中E4)，有利于防止半导体/电介质界面处高电场导致的器件失效，提高器件可靠图2击穿电压下不同顶层掺杂浓度的器件内部电场分布Fig．2Electricfielddistributionasafunctionofdopingdensityofthecaplayeratbreakdownvoltage图3InGaAs/InPSPAD击穿电压—倍增层厚度关系Fig．3BreakdownvoltageasafunctionofmultiplicationlayerthicknessofInGaAs/InPSPAD性［10］．1．2顶层掺杂对隧穿暗计数的影响SPAD倍增层隧穿暗载流子引起的暗计数是SPAD暗计数的重要成分［8，11］，降低隧穿暗计数有助于提高器件性能．隧穿分带间隧穿和陷阱辅助隧穿．带间隧穿单位体积暗载流子产生速率表示为式(1)，陷阱辅助隧穿单位体积暗载流子产生速率表示为式(2):NBBT=2m槡rq2E24π3?2E槡gexp－пm槡rE3/2g槡22qE()?，(1)421


本文编号：3266284