Optimisation de la distribution du champ électrique dans les photodiodes à avalanche InGaAs/InAlAs à photon unique

Résumé

Cette étude présente une simulation TCAD bidimensionnelle rigoureuse de photodiodes à avalanche (APD) et photodiodes à avalanche à photon unique (SPAD) InGaAs/InAlAs opérant en mode Geiger. Nous analysons les profils de champ électrique et les mécanismes de tunneling, établissant qu'une épaisseur de couche de multiplication supérieure à 300 nm maintient le champ en dessous du seuil de tunneling de 6,8×10⁵ V cm⁻¹. Une opération à haut biais avec une couche de charge optimalement dopée supprime davantage le tunneling dans la couche d'absorption, réduisant ainsi les taux de comptage noir.

Contexte

Les APD InGaAs/InAlAs et InGaAs/InP dominent la détection infrarouge à ondes courtes (SWIR), permettant le comptage de photons uniques à 1550 nm. Comparés aux photomultiplicateurs, ces dispositifs offrent haute fiabilité, bas biais, format compact et excellente résolution temporelle. Les progrès récents en distribution quantique de clés ont accéléré leur déploiement.

Les SPAD opèrent en mode Geiger, appliquant une tension inverse au-dessus de la rupture pour obtenir un gain d'avalanche transformant un photon unique en impulsion macroscopique. Le matériau InAlAs offre un rapport de coefficients d'ionisation électron-trou plus élevé que l'InP, donnant un facteur de bruit excédentaire plus faible et un produit gain-bande passante plus élevé. Sa bande interdite plus large supprime aussi le tunneling, diminuant le taux de comptage noir (DCR) et améliorant la stabilité thermique.

Bien que les APD InGaAs/InAlAs aient atteint des efficacités de détection à photon unique (SPDE) jusqu'à 26 % à 210 K, leurs DCR restent supérieurs aux <10⁴ Hz typiques des SPAD InP de pointe. L'excès de DCR provient du tunneling bande-à-bande et assisté par pièges entraîné par des champs électriques élevés. L'optimisation de la distribution du champ électrique — par dopage de la couche de charge et épaisseur de la couche de multiplication — est donc critique pour la performance des SPAD.

Méthodes

Nous avons effectué des simulations TCAD bidimensionnelles sur une structure APD SAGCM InGaAs/InAlAs à illumination frontale (Fig. 1). Le modèle intègre les équations d'ionisation par impact de Selberherr, de dérive-diffusion, de Poisson et de continuité des porteurs, ainsi que le tunneling bande-à-bande et assisté par pièges. Statistiques Fermi-Dirac, recombinaison Auger, Shockley-Read-Hall, mobilité bas champ, saturation de vitesse et traçage de rayons étaient également inclus.

La pile épitaxiale, du substrat au contact, comprend : couche de contact, couche de confinement, couche de multiplication, couche de charge, couche de gradient, couche d'absorption, couche de gradient, couche de confinement, couche de contact. Une couche de gradient InAlGaAs atténue l'accumulation d'électrons à l'interface InGaAs-InAlAs.

Le champ électrique ξ(x) satisfait l'équation de Poisson $$\frac{d\xi}{dx}=\frac{\rho}{\varepsilon}=\frac{q\,N}{\varepsilon}\,,$$ et la condition aux limites de biais $$V_{\text{bias}}+V_{\text{bi}}=-\int_{0}^{w}\xi(x,w)\,dx\,.$$ Le taux de génération par tunneling bande-à-bande est $$G_{\text{btb}}=\sqrt{\frac{2m^{\ast}}{E_g}}\frac{q^2E}{(2\pi)^3\hbar}\exp\!\left(-\frac{\pi}{4q\hbar E}\sqrt{\frac{2m^{\ast}E_g^3}{2}}\right)\,,$$ donnant une densité de courant de tunneling $$\frac{I_{\text{tunnel}}}{A}=G_{\text{btb}}\,q\,w_{\text{tunnel}}\,.$$

La Figure 2 montre que le tunneling devient significatif à 2,0×10⁵ V cm⁻¹ dans l'InGaAs et 6,9×10⁵ V cm⁻¹ dans l'InAlAs, correspondant aux seuils de la littérature. Les paramètres de simulation sont listés au Tableau 1.

Figure 1. Coupe transversale de l'APD SAGCM à illumination frontale.

Résultats et discussion

Distribution du champ électrique en mode Geiger

Les Figures 4 et 5 illustrent les caractéristiques champ-tension simulées pour les couches de multiplication et d'absorption sous biais Geiger. Avec une couche de charge de 50 nm et des couches de multiplication de 100–300 nm, le champ d'absorption augmente linéairement avec le biais, tandis que le champ de multiplication sature à l'approche de la rupture.

Figure 4. Champ dans la couche de multiplication versus biais.

Figure 5. Champ dans la couche d'absorption versus biais.

En mode Geiger, le champ d'absorption dépasse 5×10⁴ V cm⁻¹, suffisant pour le transit des porteurs, mais reste en dessous de la limite de tunneling de 1,8×10⁵ V cm⁻¹. Le champ de multiplication culmine au-dessus de 6×10⁵ V cm⁻¹ ; ainsi, une couche de multiplication plus épaisse réduit le champ de pointe et atténue le tunneling.

Considérations de conception

La Figure 6 démontre qu'augmenter l'épaisseur de multiplication de 100 à 500 nm abaisse le champ de pointe sous le seuil de tunneling tout en conservant un gain élevé. Par conséquent, une épaisseur de multiplication > 300 nm est recommandée pour les SPAD en mode Geiger.

Figure 6. Champ dans la couche de multiplication pour épaisseurs variables.

Ajuster le dopage de la couche de charge module aussi le champ d'absorption. La Figure 7 montre qu'une concentration de dopage élevée (≥ 4,5×10¹⁷ cm⁻³) maintient le champ d'absorption sous la limite de tunneling même à haut biais, tandis que des dopages plus faibles atteignent le seuil prématurément. Un équilibre optimal entre dopage de la couche de charge et épaisseur de multiplication est donc essentiel.

Figure 7. Champ de la couche d'absorption pour différentes concentrations de dopage de la couche de charge.

Conclusions

Notre simulation bidimensionnelle confirme qu'une épaisseur de couche de multiplication excédant 300 nm et une couche de charge fortement dopée permettent aux SPAD InGaAs/InAlAs d'opérer en mode Geiger tout en maintenant les courants de tunneling sous les seuils critiques. Ces règles de conception se traduisent directement en DCR plus faibles et SPDE plus élevées pour la détection de photons uniques à 1550 nm.

Abréviations

2D

Bidimensionnel

APD

Photodiode à avalanche

DCR

Taux de comptage noir

SAGCMAPDs

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

SPAD

Photodiode à avalanche à photon unique

SPDE

Efficacité de détection à photon unique