Pengoptimalan Distribusi Medan Listrik pada Diod Fotovoltaik Lawin Tunggal Foton InGaAs/InAlAs
Abstrak
Studi ini menyajikan simulasi TCAD dua dimensi yang ketat pada diod fotovoltaik lawin InGaAs/InAlAs (APD) dan diod fotovoltaik lawin tunggal foton (SPAD) yang beroperasi dalam mode Geiger. Kami menganalisis profil medan listrik dan mekanisme tuneling, dan menetapkan bahwa ketebalan lapisan perkalian yang melebihi 300 nm menjaga medan di bawah ambang tuneling 6,8×10^5 V cm⁻¹. Operasi bias tinggi dengan lapisan muatan yang di-dop secara optimal menekan tuneling dalam lapisan penyerap, sehingga mengurangi tingkat hit gelap.
Latar Belakang
InGaAs/InAlAs dan InGaAs/InP APD mendominasi deteksi inframerah pendek gelombang (SWIR), memungkinkan penghitungan foton tunggal pada 1550 nm. Dibandingkan photomultiplier, perangkat ini menawarkan keandalan tinggi, bias rendah, bentuk padat, dan resolusi waktu yang baik [2, 3]. Kemajuan terbaru dalam distribusi kunci kuantum telah mempercepat penerapannya [1].
SPAD beroperasi dalam mode Geiger, menerapkan bias balik di atas titik hancur untuk mencapai gain lawin yang mengubah satu foton menjadi pulsa makroskopik [6, 7]. Bahan InAlAs menawarkan ras koefisien ionisasi lubang-elektron yang lebih tinggi dibandingkan InP, menghasilkan faktor kebisingan berlebih yang lebih rendah dan produk gain-bandwidth yang lebih tinggi [14]. Bandgap yang lebih besar juga menekan tuneling, menurunkan tingkat hit gelap (DCR) dan meningkatkan stabilitas suhu [15, 17].
Meskipun APD InGaAs/InAlAs telah mencapai efisiensi deteksi foton tunggal (SPDE) hingga 26% pada 210 K [22], DCR-nya tetap lebih tinggi dari <10^4 Hz yang biasanya dimiliki SPAD InP terdepan [23]. DCR berlebih berasal dari tuneling band-ke-band dan tuneling yang didukung jebakan yang dipicu oleh medan listrik tinggi. Optimalisasi distribusi medan listrik—melalui peng-dopingan lapisan muatan dan ketebalan lapisan perkalian—oleh karena itu sangat penting untuk kinerja SPAD.
Metode
Kami melakukan simulasi TCAD dua dimensi pada struktur APD InGaAs/InAlAs SAGCM dengan iluminasi depan (Gambar 1). Model ini menyertakan persamaan ionisasi dampak Selberherr, drift-difusi, Poisson, dan kontinuitas pembawa, serta tuneling band-ke-band dan tuneling yang didukung jebakan. Statistik Fermi-Dirac, rekombinasi Auger, rekombinasi Shockley-Read-Hall, mobilitas medan rendah, saturasi kecepatan, dan pelacakan sinar juga disertakan.
Tumpukan epitaksial, dari substrat hingga kontak, terdiri dari lapisan kontak, lapisan pelapis, lapisan perkalian, lapisan muatan, lapisan gradasi, lapisan penyerap, lapisan gradasi, lapisan pelapis, dan lapisan kontak. Lapisan gradasi InAlGaAs mengurangi tumpukan elektron pada antarmuka InGaAs-InAlAs.
Medan listrik 𝜉(x) memenuhi persamaan Poisson $$\frac{d\xi}{dx}=\frac{\rho}{\varepsilon}=\frac{q\,N}{\varepsilon}\,,$$ dan kondisi batas bias $$V_{\text{bias}}+V_{\text{bi}}=-\int_{0}^{w}\xi(x,w)\,dx\,.$$ Tingkat pembuatan tuneling untuk tuneling band-ke-band adalah $$G_{\text{btb}}=\sqrt{\frac{2m^{\ast}}{E_g}}\frac{q^2E}{(2\pi)^3\hbar}\exp\!\left(-\frac{\pi}{4q\hbar E}\sqrt{\frac{2m^{\ast}E_g^3}{2}}\right)\,,$$ yang menghasilkan densitas arus tuneling $$\frac{I_{\text{tunnel}}}{A}=G_{\text{btb}}\,q\,w_{\text{tunnel}}\,.$$
Gambar 2 menunjukkan bahwa tuneling menjadi signifikan pada 2,0×10^5 V cm⁻¹ dalam InGaAs dan 6,9×10^5 V cm⁻¹ dalam InAlAs, cocok dengan ambang literatur [1, 9]. Parameter simulasi terdaftar dalam Tabel 1.
Gambar 1. Potongan lintang struktur APD SAGCM dengan iluminasi depan.
Hasil dan Pembahasan
Distribusi Medan Listrik dalam Mode Geiger
Gambar 4 dan 5 mengilustrasikan karakteristik medan-listrik simulasi untuk lapisan perkalian dan penyerap di bawah bias Geiger. Dengan lapisan muatan 50 nm dan lapisan perkalian 100–300 nm, medan penyerap naik linier dengan bias, sementara medan perkalian menjadi konstan saat perangkat mendekati hancuran.
Gambar 4. Medan dalam lapisan perkalian versus bias.
Gambar 5. Medan dalam lapisan penyerap versus bias.
Dalam mode Geiger, medan penyerap melebihi 5×10^4 V cm⁻¹, cukup untuk transit pembawa, namun tetap di bawah batas tuneling 1,8×10^5 V cm⁻¹. Medan perkalian puncak di atas 6×10^5 V cm⁻¹; oleh karena itu, lapisan perkalian yang lebih tebal mengurangi medan puncak dan menekan tuneling.
Pertimbangan Desain
Gambar 6 menunjukkan bahwa peningkatan ketebalan perkalian dari 100 ke 500 nm menurunkan medan puncak di bawah ambang tuneling sambil mempertahankan gain tinggi. Oleh karena itu, ketebalan perkalian > 300 nm direkomendasikan untuk SPAD mode Geiger.
Gambar 6. Medan dalam lapisan perkalian untuk berbagai ketebalan.
Penyesuaian peng-dopingan lapisan muatan juga membentuk medan penyerap. Gambar 7 menunjukkan bahwa konsentrasi peng-dopingan tinggi (≥ 4,5×10^17 cm⁻³) menjaga medan penyerap di bawah batas tuneling bahkan pada bias tinggi, sedangkan tingkat peng-dopingan yang lebih rendah mencapai ambang terlalu dini. Oleh karena itu, keseimbangan optimal antara peng-dopingan lapisan muatan dan ketebalan perkalian sangat penting.
Gambar 7. Medan lapisan penyerap untuk berbagai konsentrasi peng-dopingan lapisan muatan.
Kesimpulan
Simulasi dua dimensi kami mengonfirmasi bahwa ketebalan lapisan perkalian yang melebihi 300 nm dan lapisan muatan yang di-dop secara padat memungkinkan SPAD InGaAs/InAlAs beroperasi dalam mode Geiger sambil menjaga arus tuneling di bawah ambang kritis. Aturan desain ini secara langsung diterjemahkan menjadi DCR yang lebih rendah dan SPDE yang lebih tinggi untuk deteksi foton tunggal 1550 nm.
Singkatan
2D
Dua dimensi
APD
Diod fotovoltaik lawin
DCR
Tingkat hit gelap
SAGCMAPDs
Diod fotovoltaik lawin dengan penyerapan, gradasi, muatan, dan perkalian terpisah
