InGaAs/InAlAs SAGCM雪崩光电二极管的理论分析

摘要

本文提出 InGaAs/InAlAs SAGCM 雪崩光电二极管 (APD) 的综合理论模型和二维仿真。考察电荷层设计和隧穿现象对电场分布、倍增因子和暗电流特性的影响。模型可预测任意倍增层厚度下的最优电荷层掺杂和厚度，并证实隧穿降低雪崩场和倍增因子。尽管针对 InGaAs/InAlAs 推导，该方法适用于其他 APD 材料体系。

背景

InGaAs (In_0.53Ga_0.47As) APD 是短波红外 (SWIR) 应用的主流探测器，如光纤通信、遥感和量子密钥分发。InP 和 In_0.52Al_0.48As 具有相同晶格常数和优异击穿特性，使 InAlAs 成为倍增层的自然选择。单光子探测、分辨光谱、光学 VLSI 检测和 3D 激光测距的近期进展重燃了对 APD 的兴趣。

先前研究报道了 1550 nm 下 10–30% 探测效率的单光子 APD，并强调了隧穿在暗计数产生中的作用。虽然基于 InP 的 APD 已被广泛建模，但 InAlAs 具有更大带隙、更高电子-空穴电离比、更低过剩噪声和改进的击穿特性。然而，电荷层参数、倍增层厚度和隧穿之间的相互作用仍未充分探索。本工作开发理论框架和二维仿真，量化这些效应在 1.55 µm 工作的垂直 InGaAs/InAlAs APD 中的表现。

方法

通过求解泊松方程、耗尽层模型和 PN 结方程，针对省略分级层的简化 SACM 结构构建电场分布。各层电荷密度表示为 ρ = qN，N 为掺杂浓度，ε 为介电常数。由此得到的场表达式 (式 1–11) 捕捉了对层厚度、掺杂和施加偏压的依赖性。

利用推导的电场，求解最优电荷层掺杂 (N₂) 和厚度 (w₂)，将吸收层电场限制在 50–180 kV/cm 同时在倍增层维持高雪崩场。与实验数据 (图 2) 对比验证了式 8 的预测能力。

图 3 将分析扩展至 300、500、700 nm 倍增层，显示较厚电荷层缩小允许掺杂范围。这解释了为何微小掺杂变化可显著影响 APD 性能。

隧穿效应的纳入

当吸收层电场超过 1.8×10⁵ V/cm，带间隧穿引入额外载流子生成项 G_bbt (式 13)。该项改变局部电荷密度，从而改变倍增区电场。式 14–16 捕捉修正场，雪崩场变化 δE (图 6) 显示隧穿降低倍增场和 M_n (式 19)。

仿真模型

采用基于 TCAD 的二维器件仿真器，包含漂移-扩散、带间隧穿、陷阱辅助隧穿、Shockley–Read–Hall、Auger 和 Selberherr 碰撞电离模型。仿真结构 (图 7) 与参考文献 13 实验器件吻合，两种几何结构：APD‑1 (800 nm 倍增、1800 nm 吸收) 和 APD‑2 (200 nm 倍增、600 nm 吸收)。

模拟与实验 I-V 曲线对比 (图 8) 显示光电流和暗电流极佳一致，验证模型准确性。

结果与讨论

电荷层厚度的影响

APD‑1 (800 nm 倍增) 仿真证实增加电荷层厚度缩小可接受掺杂范围 (图 9a)。APD‑2 (200 nm 倍增) 同趋势 (图 9b)。图 9c 显示解析预测 (式 8) 与仿真高度一致。

图 10a–d 展示 210 nm 电荷层对掺杂变化高度敏感，而 50 nm 层容忍度更宽。因此，较薄电荷层提供更好的可控性。

隧穿对电场分布的影响

仿真 (图 12) 揭示当吸收层电场超越隧穿阈值，倍增区雪崩场下降。此行为在两种 APD 几何结构中一致，证实解析预测：隧穿降低 M_n。

图 12c,d 绘制吸收场和倍增场随偏压变化。吸收场跨越阈值时倍增场骤降，凸显了在击穿时保持吸收场低于 1.8×10⁵ V/cm 对高性能 APD 的关键性。

结论

我们建立了 InGaAs/InAlAs SAGCM APD 的综合理论和仿真框架。关键发现：

1. 任意倍增层厚度下的最优电荷层掺杂和厚度可解析计算；预测与实验一致。
2. 较厚电荷层急剧降低掺杂容忍度，薄电荷层更利于鲁棒器件设计。
3. 吸收层隧穿降低雪崩场和倍增因子；维持吸收场低于隧穿阈值对高性能 APD 至关重要。

这些洞见可实现更精确的 SWIR APD 设计，提升效率并降低暗计数。

缩写

2D

二维

APD

雪崩光电二极管

DCR

暗计数率

SACM APDs

分离吸收、电荷和倍增雪崩光电二极管

SAGCMAPDs

分离吸收、分级、电荷和倍增雪崩光电二极管

SPAD

单光子雪崩光电二极管

SPDE

单光子探测效率

SRH

Shockley–Read–Hall