Analisis Teoretis Fotodioda Lawan Salju InGaAs/InAlAs SAGCM

Latar Belakang

APD InGaAs (In0.53Ga0.47As) adalah detektor terdepan untuk aplikasi inframerah pendek (SWIR) seperti komunikasi serat optik, sensing jarak jauh, dan distribusi kunci kuantum. InP dan In0.52Al0.48As memiliki spasi jaringan yang sama dan properti breakdown yang baik, menjadikan InAlAs pilihan alami untuk lapisan perkalian. Kemajuan terbaru dalam deteksi satu foton, spektroskopi resolusi waktu, inspeksi VLSI optik, dan pengukuran jarak laser 3-D telah mendorong minat yang baru terhadap APD.

Studi sebelumnya telah melaporkan APD satu foton dengan efisiensi deteksi 10–30 % pada 1550 nm, dan menyoroti peran pengenungan dalam pembentukan hit gelap. Meskipun APD berbasis InP telah difungsikan secara luas, InAlAs menawarkan gap yang lebih besar, rasio ionisasi elektron-lubang yang lebih tinggi, kebisingan berlebih lebih rendah, dan karakteristik breakdown yang lebih baik. Namun, interaksi antara parameter lapisan muatan, ketebalan perkalian, dan pengenungan masih belum dieksplorasi secara menyeluruh.

Dalam karya ini, kami mengembangkan kerangka kerja teoritis dan simulasi 2-D untuk mengkuantifikasi efek ini untuk APD vertikal InGaAs/InAlAs yang beroperasi pada 1,55 µm.

Metode

Kami merumuskan distribusi medan listrik dengan menyelesaikan persamaan Poisson, model lapisan depleksi, dan persamaan junc- PN untuk struktur SACM sederhana yang menghilangkan lapisan gradien. Kepadatan muatan dalam setiap lapisan dinyatakan sebagai ρ = qN, di mana N adalah konsentrasi dopant dan ε adalah konstanta dielektrik. Ekspresi medan yang dihasilkan (Eqs. 1–11) menangkap ketergantungan pada ketebalan lapisan, dopant, dan bias yang diterapkan.

Menggunakan medan yang dihasilkan, kami menyelesaikan dopant (N2) dan ketebalan (w2) lapisan muatan optimal yang membatasi medan lapisan penyerapan pada 50–180 kV/cm sambil mempertahankan medan lawan salju yang tinggi dalam lapisan perkalian. Perbandingan dengan data eksperimental (Gambar 2) memvalidasi kemampuan prediktif Eq. 8.

Gambar 3 memperluas analisis ke lapisan perkalian 300, 500, dan 700 nm, menunjukkan bahwa lapisan muatan yang lebih tebat menyempitkan rentang dopant yang diizinkan. Ini menjelaskan mengapa variasi dopant yang modest dapat secara mencolok mempengaruhi performa APD.

Penyertaan Pengenungan

Saat medan lapisan penyerapan melebihi 1,8×10^5 V/cm, pengenungan antara pita memperkenalkan istilah generasi penguat tambahan Gbbt (Eq. 13). Istilah ini mengubah kepadatan muatan lokal dan sehingga medan listrik di wilayah perkalian. Persamaan 14–16 menangkap medan yang dimodifikasi, dan perubahan yang dihasilkan dalam medan lawan salju δE (Gambar 6) menunjukkan bahwa pengenungan mengurangi medan perkalian dan M_n (Eq. 19).

Model Simulasi

Kami menggunakan simulator perangkat 2-D berbasis TCAD yang menggabungkan drift-diffusi, pengenungan antara pita, pengenungan yang dibantu jebakan, Shockley–Read–Hall, Auger, dan model ionisasi dampak Selberherr. Struktur yang disimulasikan (Gambar 7) cocok dengan perangkat eksperimental di Ref. 13, dengan dua geometri: APD-1 (perkalian 800 nm, penyerapan 1800 nm) dan APD-2 (perkalian 200 nm, penyerapan 600 nm).

Perbandingan kurva I-V simulasi dan eksperimental (Gambar 8) menunjukkan persetujuan yang luar biasa untuk arus foto dan gelap, memvalidasi akurasi model.

Hasil dan Pembahasan

Pengaruh Ketebalan Lapisan Muatan

Simulasi dengan APD-1 (perkalian 800 nm) mengonfirmasi bahwa peningkatan ketebalan lapisan muatan menyempitkan rentang dopant yang dapat diterima. Tren yang sama berlaku untuk APD-2 (perkalian 200 nm, Gambar 9b). Gambar 9c menunjukkan persetujuan yang dekat antara prediksi analitis (Eq. 8) dan simulasi.

Gambar 10a–d menggambarkan bagaimana lapisan muatan 210 nm sangat sensitif terhadap variasi dopant, sementara lapisan 50 nm menawarkan toleransi yang lebih luas. Akibatnya, lapisan muatan yang lebih tipis memberikan kontrol yang lebih baik.

Efek Pengenungan pada Distribusi Medan Listrik

Simulasi (Gambar 12) mengungkapkan bahwa saat medan lapisan penyerapan melebihi ambang pengenungan, medan lawan salju di wilayah perkalian menurun. Perilaku ini konsisten di kedua geometri APD dan mengonfirmasi prediksi analitis bahwa pengenungan mengurangi M_n.

Gambar 12c,d memplot medan penyerapan dan perkalian versus bias. Penurunan tiba-tiba dalam medan perkalian setelah medan penyerapan melewati ambang mengilustrasikan kebutuhan krusial untuk menjaga medan penyerapan di bawah 1,8×10^5 V/cm saat breakdown.

Kesimpulan

Kami telah mengembangkan kerangka kerja teoritis dan simulasi yang komprehensif untuk APD InGaAs/InAlAs SAGCM. Temuan kunci adalah:

1. Dopant dan ketebalan lapisan muatan optimal untuk setiap ketebalan perkalian dapat dihitung secara analitis; prediksi sesuai dengan eksperimen.
2. Lapisan muatan yang lebih tebat secara tajam mengurangi toleransi dopant, menjadikan lapisan muatan tipis lebih disukai untuk desain perangkat yang andal.
3. Pengenungan di lapisan penyerapan menurunkan medan lawan salju dan faktor perkalian; mempertahankan medan penyerapan di bawah ambang pengenungan sangat penting untuk APD berkinerja tinggi.

Wawasan ini memungkinkan desain yang lebih tepat dari APD SWIR dengan efisiensi yang ditingkatkan dan hit gelap yang lebih rendah.

Singkatan

2D

Dimensi dua

APD

Fotodioda lawan salju

DCR

Rata hit gelap

SACM APDs

Fotodioda lawan salju terpisah penyerapan, muatan, dan perkalian

SAGCMAPDs

Fotodioda lawan salju terpisah penyerapan, grading, muatan, dan perkalian

SPAD

Fotodioda lawan salju satu foton

SPDE

Efisiensi deteksi satu foton

SRH

Shockley–Read–Hall