InGaAs/InAlAs单光子雪崩光电二极管电场分布优化

摘要

本研究对InGaAs/InAlAs雪崩光电二极管（APD）和单光子雪崩光电二极管（SPAD）在盖革模式下的工作进行了严格的二维TCAD仿真。分析了电场分布和隧穿机制，确定乘增层厚度超过300 nm可将电场维持在6.8×10⁵ V/cm的隧穿阈值以下。优化掺杂的电荷层在高偏压下进一步抑制吸收层隧穿，从而降低暗计数率。

背景

InGaAs/InAlAs和InGaAs/InP APD主导短波红外（SWIR）探测，实现1550 nm单光子计数。与光电倍增管相比，这些器件具备高可靠性、低偏压、紧凑外形和优异时间分辨率。量子密钥分发的最新进展加速了其部署。

SPAD在盖革模式下工作，施加高于击穿的反向偏压，实现将单光子转化为宏观脉冲的雪崩增益。InAlAs材料提供比InP更高的电子-空穴电离系数比，产生更低的过剩噪声因子和更高的增益-带宽积。其更大的带隙也抑制隧穿，降低暗计数率（DCR）并改善温度稳定性。

虽然InGaAs/InAlAs APD在210 K下实现了高达26%的单光子探测效率（SPDE），但其DCR仍高于最先进InP SPAD典型的<10⁴ Hz。过量DCR源于高电场驱动的带间和陷阱辅助隧穿。因此，通过电荷层掺杂和乘增层厚度优化电场分布对SPAD性能至关重要。

方法

我们对正面照明的SAGCM InGaAs/InAlAs APD结构进行了二维TCAD仿真（图1）。模型包含Selberherr雪崩电离、漂移-扩散、泊松和载流子连续性方程，以及带间和陷阱辅助隧穿。还包括费米-狄拉克统计、奥歇复合、肖克利-里德-霍尔复合、低场迁移率、速度饱和和光线追踪。

外延层堆叠自衬底至接触依次为：接触层、包层、乘增层、电荷层、分级层、吸收层、分级层、包层、接触层。InAlAs分级层缓解InGaAs-InAlAs界面的电子堆积。

电场ξ(x)满足泊松方程 dξ/dx = ρ/ε = qN/ε，偏压边界条件 V_bias+V_bi = -∫₀^w ξ(x,w) dx。带间隧穿产生率 G_btb = √(2m*/E_g) q²E/(2π)³ℏ exp(-π/(4qℏE) √(2m*E_g³/2))，隧穿电流密度 I_tunnel/A = G_btb q w_tunnel。图2显示InGaAs中隧穿在2.0×10⁵ V/cm显著，InAlAs中在6.9×10⁵ V/cm显著，与文献阈值一致。仿真参数列于表1。

结果与讨论

盖革模式下的电场分布

图4、5展示盖革偏压下乘增层和吸收层的电场-电压特性。50 nm电荷层、乘增层100-300 nm时，吸收层电场随偏压线性上升，乘增层电场随器件接近击穿而饱和。

盖革模式下，吸收层电场超过5×10⁴ V/cm，足以保证载流子穿越，却保持在1.8×10⁵ V/cm隧穿极限以下。乘增层电场峰值超过6×10⁵ V/cm；因此增大乘增层厚度可降低峰值电场并缓解隧穿。

设计考量

图6表明将乘增层厚度从100 nm增至500 nm可将峰值电场降至隧穿阈值以下，同时保持高增益。因此建议盖革模式SPAD乘增层厚度>300 nm。

调节电荷层掺杂也能塑造吸收层电场。图7显示高掺杂浓度（≥4.5×10¹⁷ cm⁻³）即使在高偏压下也能使吸收层电场保持在隧穿极限以下，而较低掺杂过早达到阈值。因此，电荷层掺杂与乘增层厚度的最佳平衡至关重要。

结论

二维仿真证实，乘增层厚度超过300 nm和重掺杂电荷层使InGaAs/InAlAs SPAD能在盖革模式下工作，同时将隧穿电流维持在临界阈值以下。这些设计规则直接转化为1550 nm单光子探测的更低DCR和更高SPDE。

缩略语

2D

二维

APD

雪崩光电二极管

DCR

暗计数率

SAGCMAPDs

分离吸收、分级、电荷和乘增雪崩光电二极管

SPAD

单光子雪崩光电二极管

SPDE

单光子探测效率