光子学报  2018, Vol. 47 Issue (3): 0304002  DOI: 10.3788/gzxb20184703.0304002
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引用本文  

袁正兵, 肖清泉, 杨文献, 肖梦, 吴渊渊, 谭明, 代盼, 李雪飞, 谢泉, 陆书龙. In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管响应及电学特性[J]. 光子学报, 2018, 47(3): 0304002. DOI: 10.3788/gzxb20184703.0304002.
YUAN Zheng-bing, XIAO Qing-quan, YANG Wen-xian, XIAO Meng, WU Yuan-yuan, TAN Ming, DAI Pan, LI Xue-fei, XIE Quan, LU Shu-long. Response and Electrical Characteristics of In0.53Ga0.47As/InP Avalanche Photodiode[J]. Acta Photonica Sinica, 2018, 47(3): 0304002. DOI: 10.3788/gzxb20184703.0304002.

基金项目

江苏省科技支撑计划(No.BE2016085),中国科学院重点前沿科学研究项目(No.QYZDB-SSW-JSC014)资助

第一作者

袁正兵(1991-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为半导体光电器件. Email:zbyuan2016@sinano.ac.cn

通讯作者

肖清泉(1970-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为半导体材料与器件. Email:qqxiao@gzu.edu.cn 陆书龙(1975-), 男, 研究员, 博士, 主要研究方向为半导体材料与器件. Email:sllu2008@sinano.ac.cn

文章历史

收稿日期:2017-08-31
录用日期:2017-11-22
In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管响应及电学特性
袁正兵1,2, 肖清泉1, 杨文献2, 肖梦2, 吴渊渊2, 谭明2, 代盼2, 李雪飞2, 谢泉1, 陆书龙2    
(1 贵州大学 大数据与信息工程学院, 贵阳 550025)
(2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州 215123)
摘要:通过分子束外延生长和开管式Zn扩散方法,制备了低暗电流、宽响应范围的In0.53Ga0.47As/InP雪崩光电二极管.在0.95倍雪崩击穿电压下,器件暗电流小于10 nA;-5 V偏压下电容密度低至1.43×10-8 F/cm2.在1 310 nm红外光照及30 V反向偏置电压下,雪崩光电二极管器件的响应范围为50 nW~20 mW,响应度达到1.13 A/W.得到了电荷层掺杂浓度、倍增区厚度结构参数与击穿电压和贯穿电压的关系:随着电荷层电荷密度的增加,器件贯穿电压线性增加,而击穿电压线性降低;电荷层电荷面密度为4.8×1012 cm-2时,随着倍增层厚度的增加,贯穿电压线性增加,击穿电压增加.通过对器件结构优化,雪崩光电二极管探测器实现25 V的贯穿电压和57 V的击穿电压,且具有低暗电流和宽响应范围等特性.
关键词雪崩光电二极管    低暗电流    宽响应范围    分子束外延    Zn扩散    
中图分类号:TN364      文献标识码:A      文章编号:1004-4213(2018)03-0304002-6
Response and Electrical Characteristics of In0.53Ga0.47As/InP Avalanche Photodiode
YUAN Zheng-bing1,2, XIAO Qing-quan1, YANG Wen-xian2, XIAO Meng2, WU Yuan-yuan2, TAN Ming2, DAI Pan2, LI Xue-fei2, XIE Quan1, LU Shu-long2    
(1 College of Big Data and Information Engineering, Guizhou University, Guiyang 550025, China)
(2 Key Laboratory of Nano-devices and Applications, Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics, Chinese Academy of Sciences, Suzhou, Jiangsu 215123, China)
Foundation item: The Key R&D Program of Jiangsu Province (No. BE2016085), the Key Frontier Scientific Research Program of the Chinese Academy of Sciences (No. QYZDB-SSW-JSC014)
Abstract: In0.53Ga0.47As/InP Avalanche Photodiode (APD) with low dark current, wide-range response is prepared by molecular beam epitaxy and open-tube zinc diffusion method. The dark current is less than 10 nA at 0.95Vb (Vb is the avalanche breakdown voltage), and the capacitance density is as low as 1.43×10-8 F/cm2 when the bias voltage is -5 V. The response range of APD is 50 nW~20 mW and the responsibility is up to 1.13 A/W under 1 310 nm infrared laser at 30 V reverse bias voltage. The breakdown voltage and punch-through voltage are investigated by changing concentration of the charge layer and thickness of the multiplication layer. The result shows that the punch-through voltage increases linearly, conversely, the breakdown voltage decreases linearly with increasing concentration of the charge layer. Further, the punch-through voltage increases linearly and breakdown voltage also increases with increasing thickness of the multiplication layer, while the surface density of charge layer is 4.8×1012 cm-2. Through optimizing SAGCM-APD device structure, the APD device achieves a 25 V punch-through voltage and a 57 V breakdown voltage, with low dark current, and wide-range response characteristics.
Key words: Avalanche photodiode    Low dark current    Wide-range response    Molecular beam epitaxy    Zn diffusion    
OCIS Codes: 040.1345;040.0040;040.5160;040.3060;250.1345
0 引言

随着光电技术的发展,高频率、低噪声和高灵敏度的雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode, APD)越来越多地被应用于高比特率、长距离传输的光纤通信系统[1-3].硅雪崩光电二极管[4-5]由于材料自身的局限性,不适用于光纤通信.相比较之下,In0.53Ga0.47As/InP吸收、渐变、电荷、倍增(Separate Absorption, Grading, Charge and Multiplication, SAGCM)结构的APD探测器[6-8],其组成材料In0.53Ga0.47As禁带宽度为0.75 eV,在波长为1~1.7 μm范围内吸收系数达到104 cm-1,适用于1 310 nm/1 550 nm红外通信波段.带系可调的四元化合物InGaAsP材料作为过渡层,可减小InGaAs吸收层和InP倍增层之间的带阶差.In0.53Ga0.47As/InP SAGCM-APD探测器逐渐应用于光纤通信、激光测距[9]、APD阵列[10]等领域.

SAGCM-APD探测器工作区域处于线性模式和盖革模式两种状态[11].在线性模式下,载流子在电场作用下碰撞产生空穴、电子对数量相对较少,使得器件需要通过较长的积分时间换取较高的信噪比[12].在盖革模式下,由于载流子在高电场下产生雪崩碰撞的自持性行为,器件需要采取外围抑制电路来扑灭和产生雪崩效应.SAGCM-APD探测器结构中的电荷层,可以调节器件倍增区和吸收区的电场分布,使得器件贯穿电压和击穿电压随之改变.另外,倍增区厚度变化对器件性能影响较大.电荷层电荷密度较大时,较高的贯穿电压和较低的击穿电压使得APD探测器工作线性区域较窄;相反地,过高的击穿电压与贯穿电压会使得外围偏置电路设计难度增大,系统噪声增加[13].为提高APD探测器性能和使用效率,可对器件线性区域的大小进行合理优化.

本文采用分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)生长技术及开管式锌(Zinc, Zn)扩散方法,制备了In0.53Ga0.47As/InP SAGCM-APD探测器.同时,研究了器件暗电流大小和光信号探测响应范围,以及电荷层掺杂浓度、倍增区厚度与器件击穿电压和贯穿电压之间的关系.

1 实验

通过MBE生长技术,制备的In0.53Ga0.47As/InP APD探测器采用SAGCM结构,如图 1.在N型高掺杂InP衬底上生长500 nm高掺杂(1×1018 cm-3)N型InP缓冲层.2 μm本征In0.53Ga0.47As作为吸收层.厚度分别为40 nm的三层InGaAsP作为过渡层,降低In0.53Ga0.47As吸收层与InP倍增层之间带阶不连续性,减少空穴在InP/InGaAs界面处积累,以便空穴快速穿过过渡层,从而提高器件性能.不同样品InP电荷层掺杂浓度分别为8×1016 cm-3和1.2×1017 cm-3,以调节倍增区和吸收区电场分布.InP倍增层和接触层采用开管式Zn扩散方式形成.双保护环设计可防止器件高偏置反向工作电压下产生边缘击穿现象.其中100 nm重掺杂P-InGaAs作为接触层.

图 1 In0.53Ga0.47As/InP APD结构剖面图 Fig.1 Schematic cross-section of the In0.53Ga0.47As/InP APD

Zn扩散过程是在扩散炉中实施,以Zn3P2作为扩散源,通过600 ℃高温扩散,实现弱N型InP帽层向P型InP反型,完成P-I-N平面型外延层的制备;其次,采用等离子体增强化学气相淀积方法在APD器件表面沉积180 nm Si3N4增透膜,以增强器件表面入射光透射率;最后,通过电子束蒸发的方法在APD器件上下表面分别制备Ti/Pt/Au金属层,经快速退火处理后完成正面电极和背面电极的制备,最终实现APD器件的制备.

采用二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS;型号:Hiden EQS)测试样品Zn扩散深度,以确定InP倍增区不同厚度;采用高精度探针台(型号:4200C-SCS)测试器件暗电流、光电流特性和C-V特性;采用自组装光照响应系统测试器件响应特性.

2 结果与讨论 2.1 Zn扩散比较

使用Zn3P2进行开管扩散,形成PN结和保护环.Zn3P2中的P元素可抑制InP材料在高温下分解[14].样品掺杂浓度和扩散深度通过SIMS方法测量,如图 2,样品在温度600 ℃扩散16 min,SIMS测得掺杂浓度为2.08×1019至1×1015缓变,扩散厚度为2.5 μm,对应倍增区宽度为1 μm,Zn扩散速率为0.17 μm/min.另外,相同条件扩散13 min、17 min所对应的扩散深度分别为2 μm、2.67 μm,对应倍增区宽度分别约为1.5 μm、0.83 μm.倍增区厚度的变化对器件贯穿电压和击穿电压影响明显,合理设计器件倍增区厚度可提高器件性能.

图 2 SIMS测试Zn扩散浓度分布 Fig.2 SIMS profiles of the Zn diffusion concentration
2.2 I-V/C-V特性分析

图 3为InP电荷层电荷面密度Dc为4.8×1012 cm-2的SAGCM-APD探测器I-V特性.横坐标为器件反向偏置电压,左纵坐标为器件产生电流,右纵坐标为器件增益.器件贯穿电压为25~27 V,击穿电压为57 V.贯穿电压存在一定的“延时”现象,这表明,In0.53Ga0.47As吸收层产生的载流子,在电场作用下并未完全穿过InGaAsP过渡层和InP电荷控制层“壁垒层”,此时吸收层处于未完全耗尽状态.当反向偏置电压低于器件贯穿电压时,吸收层产生电子空穴对数量较少,空穴在低电场下,无法越过壁垒层达到InP倍增区.电压上升到26 V左右,器件光电流出现一个明显的台阶,表明此时器件为贯穿状态.偏置电压进一步增加(小于击穿电压Vb),器件工作在线性模式.当偏置电压达到57 V后,电流急剧增加,器件达到雪崩击穿状态(定义电流达到10 μA,为雪崩击穿Vb [15]),大量空穴参与雪崩碰撞,此时器件工作在盖革模式状态.从图 3可知,器件暗电流(定义电流低于0.95Vb时的取值[15])小于10 nA;与Smetona等[16]采用MOCVD外延技术制备的APD探测器相比较,该器件暗电流相对较低.器件增益M(小于贯穿电压Vp时)值为1~2;在线性模式下,器件增益M从1.5增加到20.实际工作中,要求器件工作在线性模式下,增益M越大越好,不过较大的增益带来的器件噪声也大,一定程度上又降低了器件的性能.

图 3 APD器件I-V特性 Fig.3 Current-voltage characteristics of the APD device

在高量子效率情况下,为提高APD探测器响应速度,可通过降低器件电容的方法实现.因此,设计台面直径分别为50 μm、70 μm、150 μm三种不同的SAGCM-APD探测器.测得器件C-V特性曲线,如图 4.随着反向偏置电压从5 V减小到0 V,器件电容逐渐增加.在偏置电压-5 V时,测得台面直径50 μm、70 μm、150 μm的器件电容分别为1.56 pF、2.01 pF、3.87 pF.器件台面直径与电容关系如图 4中插图所示,随着台面直径的增加,器件电容线性增加,电容密度约为1.43×10-8 F/cm2.

图 4 APD器件C-V特性,插图为台面直径和电容关系 Fig.4 Capacitance as a function of reverse voltage bias of the APD device. The inset shows the correlation of the capacitance and the mesa diameter
2.3 响应特性分析

采用自组装光照响应测试系统,在温度为25 ℃、波长为1 310 nm的红外单色光照下进行APD探测器响应特性研究.选取InP电荷层电荷密度Dc为4.8×1012 cm-2,InP倍增层厚度为1 μm以及台面直径为150 μm的SAGCM-APD探测器,测得器件响应特性结果,如图 5.激光功率从50 nW增加至20 mW,器件反向偏置电压从30 V增加至40 V(器件处于线性工作模式区域).测得器件响应度从1.13 A/W增加至1.68 A/W.在30 V偏压下,激光功率大于10 mW后,电流缓慢增加至饱和状态,器件响应逐渐降低(激光功率为20 mW,响应度降低至0.5 A/W),此时,器件产生、复合载流子逐渐达到平衡状态.在低偏压下,载流子产生雪崩碰撞的概率较低,电子空穴离化率比值K较小,从而导致雪崩倍增因子M较小[17].随着偏压增加至40 V,载流子在高电场下参与雪崩碰撞过程的概率增加,产生载流子数量增加,器件电流增大,使得器件响应度增加;另外,随着激光功率的增加,在高电场、高功率状态下,载流子产生雪崩效应的几率更大,电子空穴离化比值K的增加,使得倍增因子M增大[17].当偏置电压低于器件贯穿电压(VVp)时,如图 5中插图所示,偏置电压分别为10 V和20 V.激光功率增加到50 mW,器件产生电流仅达到1.5 μA,器件响应很微弱.这是由于SAGCM结构的APD探测器中InP电荷层、InGaAsP过渡层的存在,使得载流子在低电场情况下无法越过“壁垒层”到达较高电场的InP倍增区域,此时,载流子产生数量很少,器件电流很低.在激光功率50 nW微弱信号下,测得器件产生的电流,与较大功率激光下产生的电流比较,呈现良好的线性关系,这表明在小信号下,器件响应较好.测试结果表明,APD器件具有较宽范围(50 nW~20 mW)和较高响应度(1.13~1.68 A/W)的响应特性.

图 5 APD器件响应特性,插图为低偏压下器件响应特性 Fig.5 Responsecharacteristics of the APD device. The inset shows response characteristics of the device at low bias voltage
2.4 贯穿电压-击穿电压关系

图 6为InP电荷层电荷面密度Dc对器件贯穿电压和击穿电压的影响.电荷面密度为3.2×1012 cm-2时,器件贯穿电压为15~17 V,击穿电压为63 V,电荷面密度增加至4.8×1012 cm-2,器件贯穿电压为25~27 V,击穿电压为57 V.贯穿电压变化率为6.25 V/1×1012 cm-2,击穿电压变化率为4.38 V/1×1012 cm-2,贯穿电压比击穿电压变化明显.随着InP电荷层电荷密度增加,器件贯穿电压线性增加,击穿电压减小.电荷面密度为3.2×1012 cm-2,在较低反向偏压下,电流曲线产生两个“台阶”,器件在小偏压下出现“贯穿”假象.这可能是电荷层电荷密度较低导致吸收层的电场较高,高电场情况下,吸收层产生隧穿电流,从而使得器件电流“漏电”增大[18].在雪崩击穿附近,器件电流曲线上升较缓,说明吸收区产生载流子越过“壁垒层”后参与碰撞的载流子数量较少,这可能是工艺原因导致.

图 6 InP电荷层掺杂I-V特性 Fig.6 Current-voltage characteristics of the InP charge layer doping

图 7,当InP电荷层电荷面密度为4.8×1012 cm-2时,Zn扩散时间分别为13 min、16 min、17 min,对应InP倍增区宽度分别为0.83 μm、1 μm、1.5 μm,器件贯穿电压从20.2 V增加至37 V,击穿电压从55.3 V增加至61 V,贯穿电压变化率为24.3 V/1 μm,击穿电压变化率为8.6 V/1 μm.器件贯穿电压变化率高于击穿电压变化率.随着倍增区厚度增加,器件贯穿电压线性增加,击穿电压也增加,表现出正相关特性[19].对于倍增层的设计,可适当增加倍增区厚度,减小器件雪崩效应“死空间”[20]的产生,同时载流子雪崩碰撞过程增加,从而增大了雪崩碰撞的概率,使得器件的倍增因子M增加.采用InP电荷层掺杂电荷面密度为4.8×1012 cm-2,InP倍增区厚度为1 μm(扩散16 min),所得器件贯穿电压为25 V,击穿电压为57 V.

图 7 InP倍增区厚度与击穿电压和贯穿电压的关系 Fig.7 Breakdown voltage and punch-through voltage dependence on the InP multiplication layer thicknesses
3 结论

本文采用分子束外延生长和开管式Zn扩散方法,制备了In0.53Ga0.47As/InP SAGCM-APD探测器,并且研究了电荷层掺杂浓度、倍增区厚度对器件击穿电压和贯穿电压的影响.随着InP电荷层电荷面密度从3.2×1012 cm-2增加至4.8×1012 cm-2,器件贯穿电压线性增加,其变化率为6.25 V/1×1012 cm-2,击穿电压线性降低,其变化率为4.38 V/1×1012 cm-2.InP电荷层电荷面密度为4.8×1012 cm-2时,通过不同时间Zn扩散,倍增区宽度分别为0.83 μm、1 μm、1.5 μm.随着倍增区厚度增加,器件贯穿电压线性增加,其变化率为24.3 V/1 μm;击穿电压也增加,其变化率为8.6 V/1 μm.通过对电荷层和倍增层的优化,实现器件暗电流小于10 nA,电容密度低至1.43×10-8 F/cm2,且器件贯穿电压、击穿电压分别为25 V、57 V.另外,在1 310 nm红外光照射下,器件反向偏置电压从30 V增加至40 V,激光功率从50 nW增加至20 mW,测得器件响应度从1.13 A/W增加至1.68 A/W.优化后的APD器件具有低暗电流和宽响应范围等特性.

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