技术分享 | 无电荷层 InGaAs/Si 雪崩光电探测器的优化设计

1  引 言

雪崩光电二极管（APD）是 一 种常见的半导体光电探测器件，它利用载流子碰撞雪崩倍增效应放大光电信号，实现对极微弱光信号的探测。与传统光电探测器相比，APD具有功耗低、体积小、工作频谱范围宽和工作电压低等优势，被广泛运用于激光雷达、量子通信、生物发光及深空探测等领域。近些年，一些新型探测器（如有机光电探测器、二维材料探测器）得到了迅速发展，其中，有机光电探测器具有制备简单、可调性好、轻量化、柔性、生物相容性等优点，因此在柔性电子学、可穿戴设备和环境探测等应用方面具有极大的发展潜力。目前 ，以 Si、Ge、GaN、 InGaAs 为代表的无机半导体光电探测器仍占主导地位，故本文主要研究无机光电探测器。

近年来，关于Ⅲ -Ⅴ 族半导体APD的研究已经取得了较大进展 ，例 如 InGaAs/InP、InGaAs/InAlAs APD 等已经被广泛应用于近红外波段光子信号的探测 。由 于 InGaAs 为 直接带隙半导体材料 ，其带隙为 0.74 eV，在近红外波段具有极高的吸收系数，吸收峰值出现在 1.65 μm 左右，故常被用作近红外 APD 的吸收层材料 。InGaAs 材料与雪崩倍 增材料 InP 的晶格匹配较好，因此采用外延技术可以在 InP 上直接生长出高质量的 InGaAs薄膜，从而构建吸收渐变电荷倍增分离结构的InGaAs/InP APD，以抑制吸收层 中的隧穿 ，降低暗电流 。InGaAs/InP APD 的应用波段是 900~1700nm，且在 1550 nm通信窗口具有较大的优势，并且具有工作温度低、体积小、稳定性高等优点。外延的 InP 倍增材料存在高密度、深能级的缺陷，且其电子与空穴的离化系数之比（k 值）高达 0.3~0.5，导致 InGaAs/InP APD有较大的等效噪声，难以进一步提升器件性能。

提升 InGaAs/InP APD 性能的最直接方法是使用 比 InP 的 k 值更小的材料作为倍增层，从而降低器件的等效噪声并提高器件的增益带宽积。Si 是一种间接带隙半导体材料，其k 值小，对雪崩击穿的温度依赖性非常低，但是其禁带宽度（1.12 eV）不适用于近红外波段的吸收探测 ，因此需要结合其他半导体材料如Ge、InGaAs 等制备 APD。以 Si 为倍增区的器件等效噪声较小，故 InGaAs/Si APD成为近红外探测的理想选择之一 。InGaAs 和Si的晶格失配度高达7.7%，导致器件暗电流较大，雪崩倍增受到限制，增益带宽积 难以进一步提高，因此采用外延技术难以获得低穿透 位错密度的 InGaAs/Si 界面。采用低温键合技术可以有效降低 InGaAs 和 Si 间失配晶格对器件性能的影响，获得更大的增益带宽积、更低的噪声和更好的温度特性，但是 InGaAs/Si APD 中用于调制电场的电荷层的制备涉及离子注入和高温退火激活，工艺繁琐、杂质分布不均匀、成本高。

本 文 提 出 一 种 无 电 荷 层 InGaAs/Si APD 器 件 结 构，即利用刻蚀技术在 Si 倍增层内制备凹槽环并填充 不同的介质，以调制 InGaAs 层与 Si 层的内部电场，使 得 InGaAs 处于低电场状态 ，而 Si 倍增层处于高电场 状态。重点仿真分析了 APD 键合界面凹槽环内不同介质对 APD 暗电流、光电流、载流子复合率、载流子浓度、碰撞电离率、增益、3 dB 带宽、载流子速率以及增益带宽积等的影响。

2  结构模型与模拟软件

图 1 为无电荷层 InGaAs/Si APD 的三维结构图。 可以看到，表面接触层是厚度为 0.1μm 的 p 型重掺杂（掺杂浓度为 1×1019 cm-3）InGaAs 和厚度为 1μm 的 n 型重掺杂（掺杂浓度为 1×1019 cm-3）Si 衬底，用于形成 欧 姆 接 触 。第 二 部 分 由 厚 度 为 1μm 的 本 征（掺 杂 浓 度为 5×1015 cm-3）InGaAs 吸收层与厚度为 0.08 μm 的 8 个本征（掺杂浓度为 5×1015 cm-3）In1-xGaxAs 渐变层（x 由 0.5 渐 变 到 0.85）组 成 ；InGaAs 吸 收 层 可 以 吸 收 1550 nm 的近红外光；InGaAs 渐变层可以将导带填平，尽可能减小带阶 ，避免 InGaAs 与 Si 之间存在较大的带阶 ，使 得 载 流 子 难 以 传 输 。键 合 界 面 由 厚 度 为 0.5μm 的 i 型本征（掺杂浓度为 5×1015 cm-3）Si 和凹槽 环组成；取代传统 InGaAs/Si APD 电荷层的凹槽环能 为倍增层提供足够大的电场强度，促使载流子与晶格发生碰撞电离，生成更多新的电子-空穴对，产生连续的雪崩增益。器件表面涂覆一层 SiO2 钝化层，在凹槽 环 内 填 充 不 同 的 介 质 材 料 来 构 成 不 同 性 能 的 APD。凹 槽 环 内 填 充 的 介 质 材 料 名 称 及 其 介 电 常 数 如 表 1 所示。

图 1 无电荷层 InGaAs/Si APD 的三维结构图

InGaAs/Si APD 涉 及 载 流 子 的 输 运 ，因 此 需 要 引入泊松方程［式（1）］、电流连续方程［式（2）~（5）］以 及 依 赖 于 平 行 电 场 的 载 流 子 迁 移 模 型［式（6）、 （7）］，而 APD 涉 及 载 流 子 的 产 生 与 复 合 ，因 此 需 要引入的复合模型有俄歇复合模型［式（8）］、由浓度决 定的 SRH 复 合 模 型［式（9）］、光 学 辐 射 复 合 模 型［式 （10）］、缺 陷 辅 助 俄 歇 复 合 模 型［式（11）、（12）］。APD 需 要 工 作 在 高 电 场 下 ，此 时 电 场 会 发 生 倾 斜 ， 导 致 载 流 子 容 易 从 价 带 隧 穿 到 导 带 或 从 导 带 隧 穿 到 价 带 ，因 此 需 要 引 入 标 准 能 带 跃 迁 模 型［式（13）］ 和 Trap-Assisted 跃 迁 模 型［式（14）］，以 更 好 地 描 述 载 流 子 在 能 带 之 间 的 跃 迁 。APD 在 高 电 场 下 的 势 垒 可 能 会 降 低 ，因 此 需 要 使 用 库 仑 势 阱 Poole-Frenkel 势 垒 降 低 模 型［式（15）、（16）］对 InGaAs/ Si APD 器 件 性 能 进 行 理 论 计 算 。泊松方程表示为：

式中：ε 表示介电常数；ψ 表示静电势能；ρ 表示电荷的 体密度。电流连续方程表示为:

式中：J_n和 J_p表示电子和空穴的电流密度；G_n 和 G_p表示电子和空穴的产生速率；R_n和R_p表示电子和空穴的复合率；q、μn 和 μp 分别表示单位电子电荷量、电子的迁移率和空穴的迁移率；n 表示电子浓度；p 表示空穴 浓度；Φn 表示 n 型半导体的准费米能级；Φp 表示 p 型半 导体的准费米能级。依赖于平行电场的载流子迁移模型表示为:

式中：μn ( E ) 和 μp ( E ) 表示平行电场中电子迁移率和空穴迁移率；E 表示电场大小；μ_n0和μ_p0分别表示低电场 电子迁移率和空穴迁移率；ν_n和ν_p为电子和空穴饱和速率；a_BETAN与a_BETAP为设置参数。俄歇复合模型表示为:

式中：A_n和A_p分别为电子和空穴的俄歇系数；n_ie为本征载流子浓度；p 和 n 分别为空穴浓度和电子浓度。由浓度决定的 SRH 复合模型表示为：

式中：τ_p0和τ_n0分别为空穴寿命和电子寿命；T_L为开尔文晶格温度；E_TRAP表示陷阱能级和本征费米能级之间的差值。光学辐射复合模型表示为:

式中：为捕获率。 缺陷辅助俄歇复合模型表示为：

式 中 ：τ_n和τ_p为 电 子 寿 命 和 空 穴 寿 命 ；n0 为 电 子 密 度 ；p0 为 空 穴 密 度 ；α_TAA.CN和α_TAA.CP默 认 值 为 1.0× 10^-12 cm³/s 。标准能带跃迁模型表示为:

式中：G_BBT为遂穿率；D 表示统计因子；ξ_BB.A=9.6615× 10¹⁸ cm^-1·V^-2·s^-1；ξ_BB.B=3.0×10⁷ V/cm；ξ_BB.GAMMA=2.0。Trap-Assisted 跃迁模型表示为:

式中：表示狄拉克井的空穴场效应增强项；表示狄拉克井的电子场效应增强项。库仑势阱 Poole-Frenkel 势垒降低模型表示为:

式中：χ_F表示 Poole-Frenkel 热辐射增强因子；表示库仑场增强项。

3  结果与讨论

首先，模拟了 InGaAs/Si APD 电流随键合界面凹 槽 环 内 不 同 介 质 的 变 化 ，结 果 如 图 2（a）所 示 。可 以 看到，随着介质介电常数的增加，光电流、暗电流在偏 压 小 于 -25 V 时 变 化 不 大 ，但 在 雪 崩 后 ，光 电 流 、暗 电流大致呈下降趋势。图 2（b）所示为在 95% 雪崩电 压（V_b）下，凹槽环内不同介质的光电流、暗电流的变 化趋势。可以看到，光电流、暗电流随介质介电常数 的增加整体呈下降趋势。以电流突增位置对应的反 向 偏 压 值 为 雪 崩 电 压 ，凹 槽 环 内 介 质 对 APD 雪 崩 电 压 的 影 响 如 图 2（c）所 示 。可 以 看 到 ，随 着 介 质 介 电 常数的增加，雪崩电压呈先上升后下降的趋势，贯穿 电 压 与 雪 崩 电 压 的 间 隙 变 小 ，导 致 APD 的 工 作 范 围 减 小 ，且 凹 槽 环 内 介 质 为SiO₂的 APD 雪 崩 电 压 最大。为 探 究 电 流 变 化 的 原 因 ，模 拟 了 无 电 荷 层 InGaAs/Si APD 复 合 率 随 键 合 界 面 凹 槽 环 内 不 同 介 质的变化，结果如图 3 所示。从图 3（a）的结构切面可以看到，APD 载流子的复合主要发生在 Si 倍增层和重掺杂的Si衬底。随着介质的介电常数增加，复合率在 InGaAs 吸收层、Si 倍增层和 Si 衬底均呈下降趋势，与 光电流的变化趋势一致。图 3（b）所示为在 X=16.229 处沿纵向截取结构切面图得到的复合率曲线。可以看 到，随着介质介电常数的增加，复合率在 InGaAs 吸收层呈小幅度下降的趋势，在 Si 倍增层和 Si 衬底均呈较大幅度下降的趋势，这与结构切面图的整体变化趋势吻合。其次，模拟了 APD 中载流子浓度随键合界面凹槽 环内不同介质的变化，结果如图 4 所示。可以看到，随着介质介电常数的增加，InGaAs 吸收层的电子浓度呈 缓慢上升趋势，空穴浓度呈加速下降趋势（较电子浓度 下降的幅度大两个数量级），空穴浓度与复合率变化趋 势一致，因此吸收层空穴浓度的变化是吸收层复合率 变化的主要原因。Si倍增层的电子浓度呈小幅上升趋势，空穴浓度呈加速下降的趋势（较电子浓度下降的幅 度明显），导致该层复合率出现较大幅度下降。对电子和空穴结构切面图在 X=16.229 处沿纵向截取，得到的电子浓度和空穴浓度如图 4（c）、（d）所示。可以看到，随着介质介电常数的增加，InGaAs/Si 键合界面处的电子浓度先上升后下降，空穴浓度呈下降趋势，二者共同作用导致键合层内复合率呈上升趋势。

图 2 凹槽环内不同介质对无电荷层 InGaAs/Si APD 的影响。（a）电流；（b）95%Vb 下的电流；（c）雪崩电压

图 3 无电荷层 InGaAs/Si APD 复合率随介质的变化。（a）复合率结构切面图；（b）在 X=16.229 处截取的复合率曲线

再 次 ，模 拟 了 InGaAs/Si APD 在 结 构 切 面 X= 16.229 处的能带随键合界面凹槽环内介质的变化，结 果如图 5 所示。对比图 5（a）、（b）可以看出，APD 在键 合 界 面 处 导 带 无 带 阶 ，而 界 面 处 的 价 带 存 在 明 显 带 阶，导致载流子在界面处难以运输，而空穴在界面处 大量堆积。同时，还模拟了电荷浓度随键合界面凹槽 环内介质的变化，结果如图 5（c）所示。可以看到，电 荷浓度在键合界面处急剧升高，表明载流子在带阶作 用下发生了严重堆积。随着键合界面凹槽环内介质 介电常数的增加，InGaAs 层内导带逐渐平缓，且当介 电常数较大时，导带在键合界面处发生向下弯曲，并逐渐在键合界面处形成一个势垒来阻碍载流子的输 运 ，导 致 InGaAs 层 内 电 子 难 以 输 运 到 倍 增 层 。随 着 介电常数的增加，价带逐渐变得平缓，介电常数较高 时 ，价 带 在 键 合 界 面 处 逐 渐 弯 曲 上 翘 ，阻 碍 空 穴 迁移。

图 4 无电荷层 InGaAs/Si APD 电子浓度和空穴浓度随介质的变化 。（a）结构切面的电子浓度 ；（b）结构切面的空穴浓度 ；（c）在 X=16.229 处的电子浓度；（d）在 X=16.229 处的空穴浓度

图 5 凹槽环内不同介质对无电荷层 InGaAs/Si APD 的影响。（a）键合界面导带；（b）键合界面价带；（c）电荷浓度

图 6 凹槽环内不同介质对无电荷层 InGaAs/Si APD 的影响。（a）结构切面的碰撞电离率（RIIR）；（b）在 X=16.229 处的碰撞电离率；（c）在 X=16.229 处的电子离化系数；（d）在 X=16.229 处的空穴离化系数

然后，模拟了 APD 中碰撞电离率随键合界面凹槽 环内介质的变化，结果如图 6 所示。众所周知，碰撞电 离率与载流子浓度息息相关，倍增层触发雪崩的电子 主要来自吸收层。从图 6 可看出，随着介质介电常数 的增加，InGaAs 吸收层的碰撞电离率急剧增大，导致 吸收层以及倍增层电子浓度小幅上升。在 Si 倍增层碰撞电离率缓慢减小 ，导致 Si 倍增层以及 InGaAs 吸 收层空穴浓度大幅下降。图 6（b）所示为对图 6（a）在 X=16.229 处沿纵向截取得到的碰撞电离率曲线 ，该 曲线的变化规律与结构截面图基本一致。载 流 子 的 碰 撞 电 离 系 数 为 单 位 距 离 内 载 流 子 发 生 碰 撞 电 离 的 次 数 ，可 以 用 来 表 征 碰 撞 电 离 的 难 易 程 度 ，与 电 场 强 度 有 关 。本 实 验 模 拟 了 电 子 和 空 穴 的 离 化 系 数 随 键 合 界 面 凹 槽 环 内 不 同 介 质 的 变 化 ，结 果 如 图 6（c）、（d）所 示 。在 X=16.229 处 沿 纵 向 截取得到电子和空穴的离化系数曲线，可以看出，吸收 层 的 电 子 和 空 穴 离 化 系 数 缓 慢 增 大 ，而 倍 增 层 的 电 子 和 空 穴 离 化 系 数 迅 速 减 小 ，该 趋 势 与 电 场 的 变 化 趋 势 一 致 ，如 图 7（b）所 示 。图 7（a）为 电 场 结 构 切 面 图，对比图 7（a）、（b）可以看出，随着介质介电常数的 增 加 ，电 场 曲 线 变 化 趋 势 与 电 场 结 构 切 面 图 相 符 。当 填 充 材 料 分 别 为 空 气 、SiO2 、Si3N4 、Al2O3 时 ， InGaAs 吸 收 层 的 电 场 远 小 于 Si 倍 增 层 的 电 场 ，具 有 较好的雪崩效应。

图 7 无电荷层 InGaAs/Si APD 电场随介质的变化。（a）结构切面的电场；（b）在 X=16.229 处的电场

最后，提取了 APD 的增益随键合界面凹槽环内介质的变化，结果如图 8 所示。图 8（a）所示为不同偏压下增益的整体变化，增益随着反向偏压的增加呈现由平缓转向急剧上升的趋势。图 8（b）所示为 95% 雪崩电压下增益随凹槽环内介质的介电常数增加的趋势，随着介质介电常数增加，增益整体呈现减小趋势，主要是因为随着介质介电常数的增加，倍增区电场强度逐渐下降，导致载流子碰撞电离效应减弱，进而导致增益下降。

图 8 无电荷层 InGaAs/Si APD 增益随介质的变化。（a）增益曲线；（b）95%Vb 下的增益

带宽是表征 APD 性能的重要参数之一，图 9 所示

图 9 无电荷层 InGaAs/Si APD 3 dB 带宽曲线

为键合界面凹槽环内不同介质对 APD 3 dB 带宽的影 响。随着介质介电常数的增加 ，在相同偏压下 ，3 dB 带宽整体呈现上升趋势。为了探索带宽变化的原因，模拟了载流子速率随 键合界面凹槽环内介质的变化，结果如图 10 所示。随 着介质介电常数的增加，InGaAs 吸收层电子速率呈下 降趋势，空穴速率呈先上升后下降的趋势，Si 倍增层的 电子速率和空穴速率呈下降趋势。随着介质介电常数 的增加，碰撞电离率呈上升趋势，导致载流子速率下 降。载流子速率的这一变化趋势造成了载流子渡越时 间减小，带宽增大；增益的下降也间接导致雪崩建立时 间缩短，从而导致 3 dB 带宽增大。随着介质介电常数 的增加，倍增层内电场呈下降趋势，从而导致倍增层的 电子和空穴速率下降，进而影响带宽的变化。

图 10 X=16.229 处的无电荷层 InGaAs/Si APD 电子速率和空穴速率随介质的变化。（a）电子速率；（b）空穴速率

此外，还模拟了键合界面凹槽环内不同介质对无电荷层 InGaAs/SiAPD增益带宽积的影 响 ，结果如图11所示。当偏压为 35 V 时，随着介质介电常数的增加，增益带宽积基本呈下降趋势；随着偏压增大，增益带宽积基本呈增加趋势。且当凹槽环内介质为空气， 反向偏压等于雪崩电压（35.2 V）时，增益带宽积达到100 GHz。

图 11 无电荷层 InGaAs/Si APD 增益带宽积与目前报道的 APD 相比，该增益带宽积处于中等水平。综上所述，所提出的无电荷层 APD 结构通过凹槽环实现电场调控，器件暗电流可以达到极低 水平，带宽也可以达到10GHz 以上。遗憾的是，该结构的增益水平欠佳，导致增益带宽积不理想。

4  结 论

分析Si倍增层凹槽环内填充的介质对无电荷层 InGaAs/Si APD 的影响。研究表明，随着不同介质介电常数的增加，在同一偏压下，光电流和暗电流均呈下降趋势 。其中介质材料 为空气或 SiO2的InGaAs/Si APD在达到雪崩电压后，光电流和暗电流最终重合，具有最优良的电流特性。随着介质介电常数的增加， 在同一偏压下，增益带宽积基本呈下降趋势；器件雪崩后，增益带宽积呈现先增加后减小的趋势；当凹槽环内介质为空气且反向偏压为35.2 V 时，增益带宽积达到100GHz。综上，采用凹槽环替代电荷层，构造无电荷层 InGaAs/Si APD，不需要注入离子，工艺简单，同时在凹槽环内填充空气可获得最佳的器件性能，这一新构型为设计工艺简单的高性能 nGaAs/Si APD提供了新思路。

[作者]：张娟，姚儿，柯少颖

[来源期刊]：光学学报