具有三阶梯扩散结的平面InGaAs/InP雪崩光电二极管

《IEEE Journal of Quantum Electronics》：Planar InGaAs/InP Avalanche Photodiode With a Triple-Step Diffusion Junction

InGaAs/InP三步扩散SPAD通过优化电场分布和载流子退 trap 时间，显著提升光电检测效率至11%，并降低暗计数率至25 kHz和后脉冲概率至43%。理论模拟表明高峰值电场和快速退 trap 机制是关键。

　　

摘要：

设计并制造了一种具有三步扩散结构的InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管（SPAD）。与传统双步扩散结构相比，其雪崩概率分布从环形逐渐转变为高斯形。自由运行测量结果显示，在雪崩区域厚度相同且条件相同的情况下，三步扩散结构的SPAD的光子探测效率从3.4%提高到了11%。同时，暗计数率（DCR）和后脉冲概率（APP）分别从820 kHz降低到25 kHz，以及从80%降低到43%（在8 μs的延迟时间下）。三步扩散结构的SPAD的暗电流和DCR的激活能也显著提高，这可能是因为暗载流子的产生机制从InGaAs吸收层的热生成转变为InP倍增层中的陷阱辅助隧穿。理论模拟表明，雪崩区域内载流子的脱陷时间更快，这解释了三步扩散结构SPAD的APP降低现象，同时其峰值电场（E-field）也更高。

引言

InGaAs/InP单光子雪崩探测器（SPAD）在近红外安全激光雷达、长距离自由空间激光通信等领域的需求不断增加[1]。在器件结构和性能方面，InGaAs/InP SPAD技术取得了显著进步[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。其中，利用锌扩散技术的平面型光电二极管已成为主流制造工艺，因为这种结构可以有效降低暗计数率（DCR）[10]。然而，一个伴随问题是pn结边缘经常发生过早击穿现象[11]、[12]，并且这一现象已受到多个研究小组的广泛研究[13]。Adler等人首次提出了通过引入浮动保护环（GRs）来抑制pn结边缘的电场聚集，从而提高击穿电压（V_br）[14]。Liu等人进一步指出，采用双扩散结构并结合浮动GRs可以形成渐变的外围结构，以实现击穿边缘的消除和均匀的增益[15]。Kim等人的后续研究通过集成双重浮动GRs并优化锌扩散工艺，进一步提升了器件性能，实现了高增益带宽和低暗电流（I_d[16]。最近，Chen等人利用TCAD和实验方法改进了附着型和浮动型GR结构，通过优化环间距和扩散深度，使V_br提高了1.5 V[17]。最近的研究表明，在对浅-深双步锌扩散n结构的电场分布进行充分优化后，浮动GRs已不再是必需的[18]。