基于InGaAs/InP吸收區(qū)、漸變區(qū)、電荷區(qū)和倍增區(qū)分離雪崩光電二極管（SAGCM APD）器件結(jié)構(gòu),利用數(shù)值計算方法,模擬了各層參數(shù)對器件頻率響應(yīng)特性的影響。模擬結(jié)果表明,吸收層、倍增層厚度及電荷層面電荷密度可影響器件的-3dB帶寬;隨增益的增加,器件帶寬會逐漸降低;電荷層面電荷密度對器件擊穿電壓有明顯影響。結(jié)合此模擬結(jié)果,制作出了高速InGaAs/InP雪崩光電二極管,并對器件進行了封裝測試。測試結(jié)果表明,該結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合。器件擊穿電壓為30V;在倍增因子為1時,器件響應(yīng)度大于0.8A/W;在倍增因子為9時,器件暗電流小于10nA,-3dB帶寬大于10GHz,其性能滿足10Gbit/s光纖通信應(yīng)用要求。 

【文章來源】：半導體技術(shù). 2017,42(07)北大核心CSCD

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【部分圖文】：

InGaAs/InPSAGCMAPD結(jié)構(gòu)示意圖

化學氣相沉積(MOCVD)摻雜在器件面電荷密度控制方面的應(yīng)用。結(jié)果表明，上述模擬及制備方法對于高速率APD器件的設(shè)計及制備是切實有效的。1InGaAs/InPSAGCMAPD結(jié)構(gòu)SAGCM結(jié)構(gòu)因分離了器件的吸收層和倍增層，從而降低了設(shè)計及工藝控制難度，提高了工藝容差，具有增益平滑、帶寬大、內(nèi)量子效率高等優(yōu)點，是目前APD類器件主要采用的器件結(jié)構(gòu)。InGaAs/InPSAGCMAPD結(jié)構(gòu)如圖1所示，工作原理如圖2所示，Ec和Ev分別為導帶和價帶能級。圖1InGaAs/InPSAGCMAPD結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1StructurediagramoftheInGaAs/InPSAGCMAPD圖2SAGCMAPD工作原理示意圖Fig.2WorkingprinciplediagramoftheSAGCMAPD在上述結(jié)構(gòu)中，窄帶隙的InGaAs為吸收層，對光纖通信所需近紅外波段吸收系數(shù)高;寬帶隙的InP為載流子倍增層，對近紅外波段光不吸收，降低了噪聲系數(shù);InGaAsP組分漸變層減小了InP和InGaAs間的異質(zhì)結(jié)勢壘，有利于載流子渡越;InP電荷層通過對其摻雜的控制可以調(diào)節(jié)器件內(nèi)部電場分布，優(yōu)化器件的倍增及噪聲特性。對于APD而言，性能的優(yōu)劣主要由內(nèi)部的電場分布決定，而電場分布則主要受電荷層摻雜的面電荷密度影響，因此電荷層的摻雜控制就成為APD制備的關(guān)鍵工藝。另外為了滿足高速應(yīng)用需求，APD需要在特定增益下盡量提高器件的頻響帶寬。由于APD的器件特性對結(jié)構(gòu)參數(shù)較為敏感，因此合理的器件模型有助于減輕設(shè)計和工藝實驗的難度。2InGaAs/InPSAGCMAPD的理論計算考慮一個一維全耗盡的單層光電二極管，電子和空穴的電流密度在時域上可按以下公式計算［6］q?n(x，t)?t=G(x，t)+?Jn(x，t)?x(1)q?p(x，t)?t=G(x，t)－?Jp(x，t)?x(2)式中:q為電子電荷電量;x為位置;t為時間;n(x，t)和p(x，t)分別為電?

總的耗盡層寬度為W，則總的器件電極響應(yīng)電流I(ω)可表示為I(ω)=1W∑4i=0Ii(ω)(6)上述計算中沒有考慮器件的寄生參數(shù)，假設(shè)器件內(nèi)總的寄生電容為C，電阻為Ｒ，器件的直流電極響應(yīng)電流為I(0)，則器件的頻率響應(yīng)F(ω)可表示為［7］F(ω)=11+jωＲCI(ω)I(0)(7)基于式(1)～(7)，采用數(shù)值計算方法，可得到不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對器件增益帶寬特性的影響。由于器件的吸收層厚度(da)、倍增層厚度(dm)和電荷層面電荷密度(Qs)等對器件特性影響較大，這里主要基于此3個參數(shù)進行了模擬。圖3為不同吸收層厚度下，器件的－3dB帶寬(F－3dB)隨倍增因子(M)的關(guān)系;圖4為在器件M=10時，器件的增益帶寬積(GBP)隨倍增層厚度的變化;圖5為器件的電荷層面電荷密度對器件F－3dB的影響。由圖3可知，在同樣的吸收層厚度下，帶寬隨倍增因子增加而減小;在同樣的倍增因子下，帶寬隨吸收層厚度的減小而增加;隨著倍增因子的提高，不同吸收層厚度的器件帶寬差距逐漸減小，在較高增益下趨于一致，表明器件具有增益帶寬積的特性。圖4表明，隨倍增層厚度的增加，器件的帶寬逐漸降低，這與APD的雪崩建立時間隨倍增層厚度的變化有關(guān)。圖5表明，在一定范圍內(nèi)，隨面電荷密度的增加，帶寬呈降低趨勢，這可能是因為隨面電荷密度的增加，器件的擊穿電壓降低，吸收區(qū)電場逐漸減小，造成帶寬下降。圖3不同吸收層厚度下，器件的倍增因子－帶寬曲線Fig.3M-F－3dBcurvesofthedeviceatdifferentthicknessesoftheabsorptionlayer圖4M=10時，增益帶寬積隨倍增層厚度的變化曲線Fig.4Changecurveofthegainbandwidthproductwiththethicknessofthemulti-plicationlayeratM=10圖5M=9時，帶寬隨電荷層面電荷密度的變化曲線Fi


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