Optimización de la Distribución del Campo Eléctrico en Fotodiodos de Avalancha de Un Solo Fotón InGaAs/InAlAs

Resumen

Este estudio presenta una rigurosa simulación TCAD bidimensional de fotodiodos de avalancha (APD) y fotodiodos de avalancha de un solo fotón (SPAD) InGaAs/InAlAs operando en modo Geiger. Analizamos perfiles de campo eléctrico y mecanismos de tunelización, estableciendo que un espesor de capa de multiplicación superior a 300 nm mantiene el campo por debajo del umbral de tunelización de 6.8×10⁵ V cm^-1. La operación a alto sesgo con una capa de carga óptimamente dopada suprime aún más la tunelización en la capa de absorción, reduciendo así las tasas de cuentas oscuras.

Antecedentes

Los APD InGaAs/InAlAs e InGaAs/InP dominan la detección en infrarrojo de onda corta (SWIR), permitiendo conteo de fotones únicos a 1550 nm. Comparados con fotomultiplicadores, estos dispositivos ofrecen alta fiabilidad, bajo sesgo, factor de forma compacto y excelente resolución temporal. Los avances recientes en distribución cuántica de claves han acelerado su despliegue.

Los SPAD operan en modo Geiger, aplicando un sesgo inverso superior al de ruptura para lograr ganancia de avalancha que convierte un solo fotón en un pulso macroscópico. El material InAlAs ofrece una mayor relación de coeficientes de ionización electrón-hueco que InP, produciendo un factor de exceso de ruido menor y un producto ganancia-ancho de banda mayor. Su mayor banda prohibida también suprime la tunelización, disminuyendo la tasa de cuentas oscuras (DCR) y mejorando la estabilidad térmica.

Aunque los APD InGaAs/InAlAs han alcanzado eficiencias de detección de fotón único (SPDE) hasta 26% a 210 K, sus DCR permanecen superiores a los <10⁴ Hz típicos de SPAD InP de vanguardia. El exceso de DCR proviene de tunelización banda-a-banda y asistida por trampas impulsada por altos campos eléctricos. Optimizar la distribución del campo eléctrico —mediante dopaje de capa de carga y espesor de capa de multiplicación— es por tanto crítico para el rendimiento de SPAD.

Métodos

Realizamos simulaciones TCAD bidimensionales en una estructura APD SAGCM InGaAs/InAlAs de iluminación frontal (Fig. 1). El modelo incorpora las ecuaciones de ionización por impacto de Selberherr, deriva-difusión, Poisson y continuidad de portadores, así como tunelización banda-a-banda y asistida por trampas. Estadísticas de Fermi-Dirac, recombinación Auger, recombinación Shockley-Read-Hall, movilidad a bajo campo, saturación de velocidad y trazado de rayos también se incluyeron.

La pila epitaxial, desde sustrato a contacto, comprende capa de contacto, capa de revestimiento, capa de multiplicación, capa de carga, capa de gradación, capa de absorción, capa de gradación, capa de revestimiento y capa de contacto. Una capa de gradación InAlGaAs mitiga la acumulación de electrones en la interfaz InGaAs-InAlAs.

El campo eléctrico ξ(x) satisface la ecuación de Poisson $$\frac{d\xi}{dx}=\frac{\rho}{\varepsilon}=\frac{q\,N}{\varepsilon}\,,$$ y la condición de contorno de sesgo $$V_{\text{bias}}+V_{\text{bi}}=-\int_{0}^{w}\xi(x,w)\,dx\,.$$ La tasa de generación de tunelización para tunelización banda-a-banda es $$G_{\text{btb}}=\sqrt{\frac{2m^{\ast}}{E_g}}\frac{q^2E}{(2\pi)^3\hbar}\exp\!\left(-\frac{\pi}{4q\hbar E}\sqrt{\frac{2m^{\ast}E_g^3}{2}}\right)\,,$$ produciendo una densidad de corriente de tunelización $$\frac{I_{\text{tunnel}}}{A}=G_{\text{btb}}\,q\,w_{\text{tunnel}}\,.$$

La Figura 2 muestra que la tunelización se vuelve significativa a 2.0×10⁵ V cm^-1 en InGaAs y 6.9×10⁵ V cm^-1 en InAlAs, coincidiendo con umbrales de literatura. Los parámetros de simulación se listan en la Tabla 1.

Figura 1. Sección transversal del APD SAGCM de iluminación frontal.

Resultados y Discusión

Distribución del Campo Eléctrico en Modo Geiger

Las Figuras 4 y 5 ilustran las características campo-voltaje simuladas para capas de multiplicación y absorción bajo sesgo Geiger. Con una capa de carga de 50 nm y capas de multiplicación de 100-300 nm, el campo de absorción aumenta linealmente con el sesgo, mientras que el campo de multiplicación se satura a medida que el dispositivo se acerca a la ruptura.

Figura 4. Campo en la capa de multiplicación versus sesgo.

Figura 5. Campo en la capa de absorción versus sesgo.

En modo Geiger, el campo de absorción supera 5×10⁴ V cm^-1, suficiente para tránsito de portadores, pero permanece por debajo del límite de tunelización de 1.8×10⁵ V cm^-1. El campo de multiplicación supera 6×10⁵ V cm^-1; así, una capa de multiplicación más gruesa reduce el campo pico y mitiga la tunelización.

Consideraciones de Diseño

La Figura 6 demuestra que aumentar el espesor de multiplicación de 100 a 500 nm reduce el campo pico por debajo del umbral de tunelización mientras preserva alta ganancia. En consecuencia, se recomienda un espesor de multiplicación > 300 nm para SPAD en modo Geiger.

Figura 6. Campo en la capa de multiplicación para espesores variables.

Ajustar el dopaje de la capa de carga también moldea el campo de absorción. La Figura 7 muestra que una alta concentración de dopaje (≥ 4.5×10¹⁷ cm^-3) mantiene el campo de absorción por debajo del límite de tunelización incluso a alto sesgo, mientras que niveles de dopaje menores alcanzan el umbral prematuramente. Así, un equilibrio óptimo de dopaje de capa de carga y espesor de multiplicación es esencial.

Figura 7. Campo de capa de absorción para diferentes concentraciones de dopaje de capa de carga.

Conclusiones

Nuestra simulación bidimensional confirma que un espesor de capa de multiplicación superior a 300 nm y una capa de carga fuertemente dopada permiten a SPAD InGaAs/InAlAs operar en modo Geiger manteniendo corrientes de tunelización por debajo de umbrales críticos. Estas reglas de diseño se traducen directamente en DCR más bajos y SPDE más altas para detección de fotón único a 1550 nm.

Abreviaturas

2D

Bidimensional

APD

Fotodiodo de avalancha

DCR

Tasa de cuentas oscuras

SAGCM APD

Fotodiodos de avalancha con absorción, gradación, carga y multiplicación separadas

SPAD

Fotodiodo de avalancha de un solo fotón

SPDE

Eficiencia de detección de fotón único