Optimierung der elektrischen Feldverteilung in InGaAs/InAlAs-Einzelphotonen-Lawinenphotodioden

Zusammenfassung

Diese Studie präsentiert eine rigorose zweidimensionale TCAD-Simulation von InGaAs/InAlAs-Lawinenphotodioden (APDs) und Einzelphotonen-Lawinenphotodioden (SPADs) im Geiger-Modus. Wir analysieren elektrische Feldprofile und Tunnelmechanismen und zeigen, dass eine Multiplikationsschichtdicke über 300 nm das Feld unterhalb der Tunnel-Schwelle von 6,8×10⁵ V cm⁻¹ hält. Hochspannungsbetrieb mit einer optimal dotierten Ladungsschicht unterdrückt Tunnelprozesse in der Absorptionsschicht weiter, wodurch Dunkelzählraten reduziert werden.

Hintergrund

InGaAs/InAlAs- und InGaAs/InP-APDs dominieren die Kurzwell-Infrarot-Detektion (SWIR) und ermöglichen Einzelphotonenzählung bei 1550 nm. Im Vergleich zu Photomultipliern bieten diese Bauelemente hohe Zuverlässigkeit, niedrige Vorspannung, kompakte Bauform und exzellente Zeitauflösung. Jüngster Fortschritt in der Quanten-Schlüsselverteilung hat ihren Einsatz beschleunigt.

SPADs arbeiten im Geiger-Modus, indem eine Rückwärtsspannung über dem Durchbruch angelegt wird, um Lawinenverstärkung zu erreichen, die ein einzelnes Photon in einen makroskopischen Puls umwandelt. Das InAlAs-Material bietet ein höheres Elektron-Loch-Ionisationskoeffizienten-Verhältnis als InP, was einen geringeren Exzessrauschfaktor und ein höheres Gewinn-Bandbreiten-Produkt ergibt. Seine größere Bandlücke unterdrückt auch Tunnelprozesse, verringert die Dunkelzählrate (DCR) und verbessert die Temperaturstabilität.

Während InGaAs/InAlAs-APDs Einzelphotonendetektionseffizienzen (SPDE) bis zu 26 % bei 210 K erreicht haben, bleiben ihre DCRs höher als die <10⁴ Hz typischer State-of-the-Art InP-SPADs. Der überschüssige DCR stammt von Band-zu-Band- und Fallen-assistiertem Tunnelstrom, getrieben durch hohe elektrische Felder. Die Optimierung der elektrischen Feldverteilung – durch Ladungsschichtdotierung und Multiplikationsschichtdicke – ist daher kritisch für SPAD-Leistung.

Methoden

Wir führten zweidimensionale TCAD-Simulationen an einer frontbeleuchteten SAGCM InGaAs/InAlAs APD-Struktur durch (Abb. 1). Das Modell beinhaltet die Selberherr-Impact-Ionisation, Drift-Diffusion, Poisson- und Trägerstetigkeitsgleichungen sowie Band-zu-Band- und Fallen-assistiertes Tunneln. Fermi-Dirac-Statistik, Auger-Rekombination, Shockley-Read-Hall-Rekombination, Niederfeld-Mobilität, Geschwindigkeitssättigung und Strahlverfolgung wurden ebenfalls einbezogen.

Der epitaxiale Stapel, vom Substrat zum Kontakt, umfasst eine Kontaktschicht, Mantelschicht, Multiplikationsschicht, Ladungsschicht, Abstufungsschicht, Absorptionsschicht, Abstufungsschicht, Mantelschicht und Kontaktschicht. Eine InAlGaAs-Abstufungsschicht mildert Elektronenanhäufung an der InGaAs-InAlAs-Grenzfläche.

Das elektrische Feld ξ(x) genügt der Poisson-Gleichung $$\frac{d\xi}{dx}=\frac{\rho}{\varepsilon}=\frac{q\,N}{\varepsilon}\,,$$ und der Bias-Randbedingung $$V_{\text{bias}}+V_{\text{bi}}=-\int_{0}^{w}\xi(x,w)\,dx\,.$$ Die Tunnelgenerationsrate für Band-zu-Band-Tunneln ist $$G_{\text{btb}}=\sqrt{\frac{2m^{\ast}}{E_g}}\frac{q^2E}{(2\pi)^3\hbar}\exp\!\left(-\frac{\pi}{4q\hbar E}\sqrt{\frac{2m^{\ast}E_g^3}{2}}\right)\,,$$ was eine Tunnelstromdichte $$\frac{I_{\text{tunnel}}}{A}=G_{\text{btb}}\,q\,w_{\text{tunnel}}\,.$$ ergibt.

Abbildung 2 zeigt, dass Tunneln bei 2,0×10⁵ V cm⁻¹ in InGaAs und 6,9×10⁵ V cm⁻¹ in InAlAs signifikant wird, passend zu Literatur-Schwellenwerten. Die Simulationsparameter sind in Tabelle 1 aufgelistet.

Abbildung 1. Querschnitt der frontbeleuchteten SAGCM APD.

Ergebnisse und Diskussion

Elektrische Feldverteilung im Geiger-Modus

Abbildungen 4 und 5 illustrieren die simulierten Feld-Spannungs-Kennlinien für Multiplikations- und Absorptionsschichten unter Geiger-Bias. Mit einer 50 nm Ladungsschicht und Multiplikationsschichten von 100–300 nm steigt das Absorptionsfeld linear mit dem Bias, während das Multiplikationsfeld sättigt, wenn sich der Durchbruch nähert.

Abbildung 4. Feld in der Multiplikationsschicht versus Bias.

Abbildung 5. Feld in der Absorptionsschicht versus Bias.

Im Geiger-Modus übersteigt das Absorptionsfeld 5×10⁴ V cm⁻¹, ausreichend für Trägertransit, bleibt jedoch unterhalb der 1,8×10⁵ V cm⁻¹ Tunnel-Grenze. Das Multiplikationsfeld erreicht über 6×10⁵ V cm⁻¹; somit reduziert eine dickere Multiplikationsschicht das Spitzenfeld und mildert Tunnelprozesse.

Designüberlegungen

Abbildung 6 demonstriert, dass die Erhöhung der Multiplikationsdicke von 100 auf 500 nm das Spitzenfeld unterhalb der Tunnel-Schwelle senkt, während hoher Gewinn erhalten bleibt. Entsprechend wird eine Multiplikationsdicke > 300 nm für Geiger-Modus-SPADs empfohlen.

Abbildung 6. Feld in der Multiplikationsschicht für variierende Dicken.

Die Anpassung der Ladungsschichtdotierung formt auch das Absorptionsfeld. Abbildung 7 zeigt, dass eine hohe Dotierkonzentration (≥ 4,5×10¹⁷ cm⁻³) das Absorptionsfeld selbst bei hohem Bias unterhalb der Tunnel-Grenze hält, während niedrigere Dotierungen die Schwelle vorzeitig erreichen. Somit ist ein optimales Gleichgewicht von Ladungsschichtdotierung und Multiplikationsdicke essenziell.

Abbildung 7. Absorptionsschicht-Feld für verschiedene Ladungsschichtdotierungen.

Schlussfolgerungen

Unsere zweidimensionale Simulation bestätigt, dass eine Multiplikationsschichtdicke über 300 nm und eine stark dotierte Ladungsschicht InGaAs/InAlAs-SPADs im Geiger-Modus betreiben lassen, während Tunnelströme unterhalb kritischer Schwellen gehalten werden. Diese Designregeln übersetzen sich direkt in niedrigere DCRs und höhere SPDEs für 1550-nm-Einzelphotonendetektion.

Abkürzungen

2D

Zweidimensional

APD

Lawinenphotodiode

DCR

Dunkelzählrate

SAGCM APDs

Separate Absorption, Grading, Charge und Multiplication Lawinenphotodioden

SPAD

Einzelphotonen-Lawinenphotodiode

SPDE

Einzelphotonen-Detektions-Effizienz