InGaAs/InP單光子雪崩光電二極管InP頂層摻雜研究
發(fā)布時(shí)間：2021-07-05 14:54
通過理論計(jì)算和對比實(shí)驗(yàn)研究了InGaAs/InP單光子雪崩光電二極管中InP頂層摻雜濃度對于器件性能的影響.理論結(jié)果顯示,InP頂層的摻雜濃度越低越有利于抑制邊緣擊穿,降低隧穿暗載流子產(chǎn)生速率,提高雪崩擊穿幾率.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,頂層非故意摻雜的器件在223K下獲得了20%的單光子探測效率和1kHz的暗計(jì)數(shù)率,其單光子探測效率比頂層摻雜濃度為5×1015/cm3的器件高3%8%,而暗計(jì)數(shù)率低一個(gè)量級.結(jié)果表明,降低InP頂層的摻雜濃度有利于提高器件性能.
【文章來源】：紅外與毫米波學(xué)報(bào). 2017,36(04)北大核心EISCICSCD
【文章頁數(shù)】：5 頁
【部分圖文】：
平面型InGaAs/InPSPAD結(jié)構(gòu)示意圖
InPSPAD的前提．本文通過理論計(jì)算和對比實(shí)驗(yàn)研究了InP頂層摻雜濃度對于InGaAs/InPSPAD性能的影響．其中理論計(jì)算基于載流子漂移-擴(kuò)散模型和Zappa等人［9］建立的碰撞離化模型．圖1平面型InGaAs/InPSPAD結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1SchematicdiagramofplanartypeInGaAs/InPSPAD1模擬計(jì)算1．1頂層摻雜對邊緣擊穿抑制的影響抑制邊緣擊穿是平面型SPAD研制的關(guān)鍵之一．平面型SPAD一般采用階梯型PN結(jié)結(jié)構(gòu)［7］逐級削弱邊緣電場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)邊緣擊穿的抑制．邊緣擊穿抑制效果決定于器件內(nèi)部電場分布及不同區(qū)域的擊穿電壓．圖2是擊穿電壓下不同頂層摻雜濃度的器件內(nèi)部電場分布，其中圖2(a)橫軸D是階梯結(jié)中心和邊緣的深度差，縱軸E/EC是圖2(b)中所標(biāo)注的各區(qū)域電場強(qiáng)度與中心倍增區(qū)電場強(qiáng)度之比．吸收層厚度為2μm，倍增層厚度為1μm．由圖2可見，階梯結(jié)中心和邊緣深度差相同時(shí)，頂層摻雜濃度越低邊緣各區(qū)域電場強(qiáng)度越低．圖3是不同頂層摻雜濃度的器件擊穿電壓與倍增層厚度的關(guān)系，其中吸收層厚度為2μm，調(diào)節(jié)電荷層摻雜濃度使倍增層厚度為1μm時(shí)器件擊穿電壓相同．由圖3可見，頂層摻雜濃度越低，器件擊穿電壓隨倍增層厚度變化越快．因此當(dāng)階梯結(jié)中心和邊緣深度差相同時(shí)，頂層摻雜濃度越低階梯結(jié)邊緣擊穿電壓越高．邊緣局域電場越低、邊緣擊穿電壓越高則邊緣擊穿抑制效果越好．因此降低頂層摻雜濃度有利于抑制邊緣擊穿．另外，頂層低摻雜可以有效降低器件表面電場強(qiáng)度(圖2中E4)，有利于防止半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面處高電場導(dǎo)致的器件失效，提高器件可靠圖2擊穿電壓下不同頂層摻雜濃度的器件內(nèi)部電場分布Fig．2Electricfielddistributionasafunctionofdopingdensityofthecaplayeratbreakdownvoltage圖3InGaAs/InPSPAD擊穿電壓—倍?
粼優(yōu)ǘ仍降停?骷?鞔?電壓隨倍增層厚度變化越快．因此當(dāng)階梯結(jié)中心和邊緣深度差相同時(shí)，頂層摻雜濃度越低階梯結(jié)邊緣擊穿電壓越高．邊緣局域電場越低、邊緣擊穿電壓越高則邊緣擊穿抑制效果越好．因此降低頂層摻雜濃度有利于抑制邊緣擊穿．另外，頂層低摻雜可以有效降低器件表面電場強(qiáng)度(圖2中E4)，有利于防止半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面處高電場導(dǎo)致的器件失效，提高器件可靠圖2擊穿電壓下不同頂層摻雜濃度的器件內(nèi)部電場分布Fig．2Electricfielddistributionasafunctionofdopingdensityofthecaplayeratbreakdownvoltage圖3InGaAs/InPSPAD擊穿電壓—倍增層厚度關(guān)系Fig．3BreakdownvoltageasafunctionofmultiplicationlayerthicknessofInGaAs/InPSPAD性［10］．1．2頂層摻雜對隧穿暗計(jì)數(shù)的影響SPAD倍增層隧穿暗載流子引起的暗計(jì)數(shù)是SPAD暗計(jì)數(shù)的重要成分［8，11］，降低隧穿暗計(jì)數(shù)有助于提高器件性能．隧穿分帶間隧穿和陷阱輔助隧穿．帶間隧穿單位體積暗載流子產(chǎn)生速率表示為式(1)，陷阱輔助隧穿單位體積暗載流子產(chǎn)生速率表示為式(2):NBBT=2m槡rq2E24π3?2E槡gexp－пm槡rE3/2g槡22qE()?，(1)421
本文編號：3266284
【文章來源】：紅外與毫米波學(xué)報(bào). 2017,36(04)北大核心EISCICSCD
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【部分圖文】：
平面型InGaAs/InPSPAD結(jié)構(gòu)示意圖
InPSPAD的前提．本文通過理論計(jì)算和對比實(shí)驗(yàn)研究了InP頂層摻雜濃度對于InGaAs/InPSPAD性能的影響．其中理論計(jì)算基于載流子漂移-擴(kuò)散模型和Zappa等人［9］建立的碰撞離化模型．圖1平面型InGaAs/InPSPAD結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1SchematicdiagramofplanartypeInGaAs/InPSPAD1模擬計(jì)算1．1頂層摻雜對邊緣擊穿抑制的影響抑制邊緣擊穿是平面型SPAD研制的關(guān)鍵之一．平面型SPAD一般采用階梯型PN結(jié)結(jié)構(gòu)［7］逐級削弱邊緣電場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)邊緣擊穿的抑制．邊緣擊穿抑制效果決定于器件內(nèi)部電場分布及不同區(qū)域的擊穿電壓．圖2是擊穿電壓下不同頂層摻雜濃度的器件內(nèi)部電場分布，其中圖2(a)橫軸D是階梯結(jié)中心和邊緣的深度差，縱軸E/EC是圖2(b)中所標(biāo)注的各區(qū)域電場強(qiáng)度與中心倍增區(qū)電場強(qiáng)度之比．吸收層厚度為2μm，倍增層厚度為1μm．由圖2可見，階梯結(jié)中心和邊緣深度差相同時(shí)，頂層摻雜濃度越低邊緣各區(qū)域電場強(qiáng)度越低．圖3是不同頂層摻雜濃度的器件擊穿電壓與倍增層厚度的關(guān)系，其中吸收層厚度為2μm，調(diào)節(jié)電荷層摻雜濃度使倍增層厚度為1μm時(shí)器件擊穿電壓相同．由圖3可見，頂層摻雜濃度越低，器件擊穿電壓隨倍增層厚度變化越快．因此當(dāng)階梯結(jié)中心和邊緣深度差相同時(shí)，頂層摻雜濃度越低階梯結(jié)邊緣擊穿電壓越高．邊緣局域電場越低、邊緣擊穿電壓越高則邊緣擊穿抑制效果越好．因此降低頂層摻雜濃度有利于抑制邊緣擊穿．另外，頂層低摻雜可以有效降低器件表面電場強(qiáng)度(圖2中E4)，有利于防止半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面處高電場導(dǎo)致的器件失效，提高器件可靠圖2擊穿電壓下不同頂層摻雜濃度的器件內(nèi)部電場分布Fig．2Electricfielddistributionasafunctionofdopingdensityofthecaplayeratbreakdownvoltage圖3InGaAs/InPSPAD擊穿電壓—倍?
粼優(yōu)ǘ仍降停?骷?鞔?電壓隨倍增層厚度變化越快．因此當(dāng)階梯結(jié)中心和邊緣深度差相同時(shí)，頂層摻雜濃度越低階梯結(jié)邊緣擊穿電壓越高．邊緣局域電場越低、邊緣擊穿電壓越高則邊緣擊穿抑制效果越好．因此降低頂層摻雜濃度有利于抑制邊緣擊穿．另外，頂層低摻雜可以有效降低器件表面電場強(qiáng)度(圖2中E4)，有利于防止半導(dǎo)體/電介質(zhì)界面處高電場導(dǎo)致的器件失效，提高器件可靠圖2擊穿電壓下不同頂層摻雜濃度的器件內(nèi)部電場分布Fig．2Electricfielddistributionasafunctionofdopingdensityofthecaplayeratbreakdownvoltage圖3InGaAs/InPSPAD擊穿電壓—倍增層厚度關(guān)系Fig．3BreakdownvoltageasafunctionofmultiplicationlayerthicknessofInGaAs/InPSPAD性［10］．1．2頂層摻雜對隧穿暗計(jì)數(shù)的影響SPAD倍增層隧穿暗載流子引起的暗計(jì)數(shù)是SPAD暗計(jì)數(shù)的重要成分［8，11］，降低隧穿暗計(jì)數(shù)有助于提高器件性能．隧穿分帶間隧穿和陷阱輔助隧穿．帶間隧穿單位體積暗載流子產(chǎn)生速率表示為式(1)，陷阱輔助隧穿單位體積暗載流子產(chǎn)生速率表示為式(2):NBBT=2m槡rq2E24π3?2E槡gexp－пm槡rE3/2g槡22qE()?，(1)421
本文編號：3266284
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