Análisis teórico de fotodiodos de avalancha de fotón único InGaAs / InAlAs

Resultados y discusión

En esta sección, el análisis teórico y las conclusiones se estudiaron mediante simulación. Primero, la distribución del campo eléctrico en el modo Geiger se estudió en la sección A. Luego, con la consideración del campo eléctrico de umbral de tunelización en el modo Geiger, los criterios de diseño de los SPAD se optimizan para evitar el efecto de tunelización en la sección B. El dispositivo típico La estructura de la referencia [22] se utilizó para probar el modelo de simulación. En esta simulación, usamos el mismo motor de simulación que la referencia [28] y la curva corriente-voltaje junto con la curva de ganancia vs voltaje fueron dadas por la Fig. 3. Se puede encontrar que la ganancia aumenta gradualmente después del voltaje de perforación y aumento repentino en el voltaje de ruptura.

Curva de corriente-voltaje junto con ganancia vs voltaje de InGaAs / InAlAs APD. Presenta la curva i-v junto con la curva de ganancia frente a voltaje para una estructura de dispositivo típica como figura

Distribución del campo eléctrico en el modo Geiger

Descubrimos que el rendimiento del dispositivo está muy influenciado por la distribución del campo eléctrico. Para mantener la alta ganancia y la pequeña corriente oscura, es importante el control adecuado del campo eléctrico en las capas de multiplicación y absorción. De la ref. [32], una distribución de campo adecuada en InGaAs / InAlAs APD debería cumplir con esas reglas. La garantía V _pt (voltaje de conexión) br (voltaje de ruptura) y V _br -V _pt debe tener un margen de seguridad para procesar variaciones en las fluctuaciones de temperatura y rango de operación. En el voltaje de ruptura, la ganancia de multiplicación va hacia el infinito y la corriente aumenta repentinamente [32]. Cuando la corriente oscura o fotoeléctrica alcanza los 50 μA, el voltaje correspondiente se denomina voltaje de ruptura V _br . En la capa de absorción, el campo eléctrico debe ser superior a 50-100 kV / cm para garantizar una velocidad suficiente para los portadores fotoinducidos. Paralelamente, el campo eléctrico debe ser inferior a 180 kV / cm para evitar el efecto de túnel en la capa de absorción. La distribución del campo eléctrico influye en gran medida en el rendimiento del dispositivo. La elección del campo eléctrico en la capa de absorción equilibra la compensación entre tiempo de tránsito pequeño, corriente oscura y alta capacidad de respuesta para los requisitos prácticos.

Las Figuras 4 y 5 presentan las características de voltaje de campo simulado en las capas de multiplicación y absorción bajo el modo Geiger, respectivamente. Los APD operan en modo Geiger ya que los SPAD se aplican con una polarización inversa que excede el voltaje de ruptura 1 ~ 6 V en la simulación. El grosor de la capa de carga ( W _cargar ) es de 50 nm, y el grosor de la capa de multiplicación ( W _{multiplicación} ) son 100, 200 y 300 nm, respectivamente.

La simulación da como resultado el campo eléctrico en una multiplicación bajo el modo Geiger. Los valores de W _{multiplicación} es 100 nm (cuadrado negro), 200 nm (triángulo negro), 300 nm (círculo negro). La Figura 3 presenta las características de voltaje de campo simuladas en las capas de multiplicación bajo el modo Geiger. El grosor de la capa de carga es de 50 nm y el grosor de la capa de multiplicación es de 100, 200 y 300 nm, respectivamente

La simulación da como resultado un campo eléctrico en absorción bajo el modo Geiger. Los valores de W _{multiplicación} es 100 nm (cuadrado negro), 200 nm (triángulo negro), 300 nm (círculo negro). La Figura 4 presenta las características de voltaje de campo simuladas en las capas de absorción bajo el modo Geiger. El grosor de la capa de carga es de 50 nm y el grosor de la capa de multiplicación es de 100, 200 y 300 nm, respectivamente.

Cuando los SPAD de InGaAs / InAlAs se operan bajo el modelo lineal (APD), el campo eléctrico en la capa de absorción y la capa de multiplicación aumenta linealmente con un voltaje de polarización incrementado. Sin embargo, a medida que el voltaje de polarización excede el voltaje de ruptura en el modo Geiger, el campo eléctrico en la capa de absorción aumenta linealmente como antes, mientras que el aumento en el campo eléctrico de avalancha en la capa de multiplicación se vuelve lento. En comparación con los APD InGaAs / InAlAs que operan en modo lineal, los SPAD InGaAs / InAlAs logran una alta ganancia en la capa de multiplicación con el campo de avalancha más alto, y un solo fotón puede disparar un pulso de corriente macroscópico. Al mismo tiempo, el campo de absorción en el modo Geiger es mayor que en el modelo lineal. La corriente de túnel se convierte en el componente dominante de la corriente oscura en el campo alto y un solo fotón puede disparar un pulso de corriente macroscópico con la ganancia de avalancha, que es mucho mayor que el modo lineal.

Consideración de diseño de SPAD

Sabemos que los SAPD funcionan en modo saturado. Para mantener la alta ganancia y la pequeña corriente oscura, es importante el control del campo eléctrico en las capas de multiplicación y absorción. Si el campo en absorción es menor que el campo de umbral de tunelización, puede mantener un campo eléctrico de alta avalancha en la capa de multiplicación y evitar una corriente de tunelización. En consecuencia, la concentración y el grosor de cada capa deben diseñarse correctamente para los SPAD.

La Figura 2 muestra que los SPAD tienen una probabilidad de un gran efecto de túnel debido al alto campo en las capas de multiplicación y absorción, que exceden el campo eléctrico del umbral de túnel. Por lo tanto, los campos eléctricos deben ajustarse por debajo del valor del umbral de tunelización tanto en la absorción de InGaAs como en la multiplicación de InAlAs. El análisis teórico muestra que el campo eléctrico de multiplicación de la avalancha se reduce por los productos de N _cargar y w _cargar [28]. Por tanto, la capa de carga puede controlar el campo en absorción; sin embargo, el campo eléctrico de la avalancha de la capa de multiplicación está determinado por w _{multiplicación} . La Figura 6 presenta las características de voltaje de campo simulado para diferentes espesores de multiplicación (100-500 nm) cuando el dispositivo sufre una avería por avalancha. El dopaje de fondo en la capa de multiplicación y la capa de absorción es 2 × 10 ¹⁵ cm ⁻³ , que es la concentración intrínseca de epitaxia de haz molecular (MBE). Los resultados de la simulación muestran que el campo eléctrico de avalancha en la capa de multiplicación disminuye con el aumento del espesor de la capa de multiplicación. Por lo tanto, una capa de multiplicación gruesa puede evitar la probabilidad de efecto de túnel a través de un campo eléctrico de baja avalancha en la multiplicación.

Campo eléctrico en la capa de multiplicación con diferentes W _{multiplicación} . La Figura 5 presenta las características de voltaje de campo simulado para diferentes espesores de multiplicación (100-500 nm) cuando el dispositivo sufre una avería por avalancha

Para evitar que el campo eléctrico de la avalancha en la multiplicación supere el valor del umbral de tunelización en el modo Geiger, el espesor de la multiplicación debe ser> 300 nm, que tiene un campo eléctrico de la avalancha inferior a 6 × 10 ⁵ V / cm e incluso excede el voltaje de ruptura en la Fig. 4. Por lo tanto, una capa de multiplicación gruesa puede evitar el efecto de túnel en SPAD que bajo el modo Geiger. Es la razón por la que DCR bajo en SPAD con una multiplicación gruesa.

Como se mencionó en la sección A, el campo eléctrico en la capa de absorción aumenta linealmente en el modo Geiger. El aumento de la tensión de polarización influye significativamente en el campo eléctrico en la capa de absorción, lo que induce a que el campo tenga una gran probabilidad de superar 2,0 × 10 ⁵ V / cm. La Figura 7 presenta la distribución del campo eléctrico simulado para diferentes concentraciones de dopaje en la capa de carga ( w _cargar =50 nm). Encontramos que las concentraciones de dopaje más altas tienen un campo eléctrico bajo en la capa de absorción e incluso excede el voltaje de ruptura de 5 V en el modo Geiger; sin embargo, a concentraciones de dopaje más bajas, el campo eléctrico del umbral de tunelización se alcanza rápidamente. En consecuencia, las concentraciones de dopaje más pequeñas en la capa de carga provocan un inicio más temprano de los efectos de efecto túnel. Para adquirir suficiente voltaje de polarización de funcionamiento en el modo Geiger, el N _cargar de SPAD es mayor que el N _cargar de APD. En comparación con el N inferior _cargar de SPAD, mayor N _cargar de SPAD pueden funcionar bajo un voltaje de polarización grande para evitar el efecto de túnel y lograr una alta ganancia en la capa de multiplicación.

Campo en la capa de absorción con diferentes N _cargar . Los valores de N _cargar es 4.5 * 10 ¹⁷ cm ^{- 3} (cuadrado negro), 6,8 * 10 ¹⁷ cm ⁻³ (triángulo negro). La Figura 6 presenta la distribución de absorción del campo eléctrico para diferentes concentraciones de dopaje en la capa de carga ( W _cargar =50 nm)