Analyse théorique de photodiodes à avalanche InGaAs/InAlAs SAGCM

Contexte

Les APD InGaAs (In0,53Ga0,47As) sont les détecteurs de pointe pour les applications infrarouge à ondes courtes (SWIR) telles que les communications par fibre optique, la télédétection et la distribution quantique de clés. L'InP et l'In0,52Al0,48As partagent le même espacement de maille et d'excellentes propriétés de claquage, faisant de l'InAlAs un choix naturel pour la couche de multiplication. Les progrès récents en détection monophotonique, spectroscopie temporellement résolue, inspection VLSI optique et télémétrie laser 3D ont ravivé l'intérêt pour les APD.

Des études antérieures ont rapporté des APD monophotoniques avec 10–30 % d'efficacité de détection à 1550 nm, et ont mis en évidence le rôle du tunneling dans la génération de comptes noirs. Bien que les APD à base d'InP aient été largement modélisés, l'InAlAs offre un gap de bande plus large, un rapport d'ionisation électron-trous plus élevé, un bruit excédentaire plus faible et de meilleures caractéristiques de claquage. Cependant, l'interaction entre les paramètres de la couche de charge, l'épaisseur de multiplication et le tunneling reste sous-explorée.

Dans ce travail, nous développons un cadre théorique et une simulation 2D pour quantifier ces effets pour des APD InGaAs/InAlAs verticaux opérant à 1,55 µm.

Méthodes

Nous formulons la distribution du champ électrique en résolvant l'équation de Poisson, le modèle de couche de déplétion et les équations de jonction PN pour une structure SACM simplifiée omettant la couche de gradient. La densité de charge dans chaque couche est exprimée par ρ = qN, où N est la concentration de dopants et ε la constante diélectrique. Les expressions de champ résultantes (Éqs. 1–11) capturent la dépendance aux épaisseurs de couches, dopages et biais appliqué.

En utilisant le champ dérivé, nous résolvons pour le dopage optimal (N2) et l'épaisseur (w2) de la couche de charge qui confinent le champ de la couche d'absorption à 50–180 kV/cm tout en maintenant un champ d'avalanche élevé dans la couche de multiplication. La comparaison avec des données expérimentales (Fig. 2) valide la capacité prédictive de l'Éq. 8.

La figure 3 étend l'analyse à des couches de multiplication de 300, 500 et 700 nm, montrant que des couches de charge plus épaisses rétrécissent la plage de dopage admissible. Cela explique pourquoi de modestes variations de dopage peuvent affecter markedly la performance des APD.

Inclusion du tunneling

Lorsque le champ de la couche d'absorption dépasse 1,8×10⁵ V/cm, le tunneling bande-à-bande introduit un terme de génération de porteurs additionnel Gbbt (Éq. 13). Ce terme modifie la densité de charge locale et donc le champ électrique dans la région de multiplication. Les équations 14–16 capturent le champ modifié, et le changement résultant du champ d'avalanche δE (Fig. 6) montre que le tunneling réduit le champ de multiplication et M_n (Éq. 19).

Modèle de simulation

Nous avons utilisé un simulateur de dispositif 2D basé sur TCAD incorporant dérive-diffusion, tunneling bande-à-bande, tunneling assisté par pièges, Shockley-Read-Hall, Auger et modèles d'ionisation par impact Selberherr. Les structures simulées (Fig. 7) correspondent étroitement aux dispositifs expérimentaux de la Ref. 13, avec deux géométries : APD‑1 (multiplication 800 nm, absorption 1800 nm) et APD‑2 (multiplication 200 nm, absorption 600 nm).

La comparaison des courbes I‑V simulées et expérimentales (Fig. 8) démontre un excellent accord pour les photo- et courants noirs, validant la précision du modèle.

Résultats et discussion

Influence de l'épaisseur de la couche de charge

Les simulations avec APD‑1 (multiplication 800 nm) confirment qu'augmenter l'épaisseur de la couche de charge rétrécit la plage de dopage admissible (Fig. 9a). La même tendance vaut pour APD‑2 (multiplication 200 nm, Fig. 9b). La Fig. 9c montre un accord étroit entre les prédictions analytiques (Éq. 8) et la simulation.

Les figures 10a–d illustrent comment une couche de charge de 210 nm est hautement sensible aux variations de dopage, tandis qu'une couche de 50 nm offre une tolérance plus large. Par conséquent, des couches de charge plus fines offrent une meilleure contrôlabilité.

Effet du tunneling sur la distribution du champ électrique

Les simulations (Fig. 12) révèlent que lorsque le champ de la couche d'absorption dépasse le seuil de tunneling, le champ d'avalanche dans la région de multiplication diminue. Ce comportement est cohérent pour les deux géométries APD et confirme la prédiction analytique que le tunneling réduit M_n.

La figure 12c,d trace les champs d'absorption et de multiplication vs biais. La chute abrupte du champ de multiplication une fois le seuil franchi illustre le besoin critique de maintenir le champ d'absorption sous 1,8×10⁵ V/cm au claquage.

Conclusions

Nous avons établi un cadre théorique et de simulation complet pour les APD InGaAs/InAlAs SAGCM. Principaux résultats :

1. Le dopage et l'épaisseur optimaux de la couche de charge pour toute épaisseur de multiplication peuvent être calculés analytiquement ; les prédictions concordent avec l'expérience.
2. Les couches de charge plus épaisses réduisent drastiquement la tolérance de dopage, rendant les couches de charge fines préférables pour un design robuste.
3. Le tunneling dans la couche d'absorption abaisse le champ d'avalanche et le facteur de multiplication ; maintenir le champ d'absorption sous le seuil de tunneling est essentiel pour des APD haute performance.

Ces insights permettent une conception plus précise d'APD SWIR avec efficacité améliorée et comptes noirs réduits.

Abréviations

2D

Bidimensionnel

APD

Photodiode à avalanche

DCR

Taux de comptes noirs

SACM APDs

Photodiodes à avalanche à absorption, charge et multiplication séparées

SAGCMAPDs

Photodiodes à avalanche à absorption, gradient, charge et multiplication séparées

SPAD

Photodiode à avalanche monophotonique

SPDE

Efficacité de détection monophotonique

SRH

Shockley–Read–Hall