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In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究

李慧梅,  胡晓斌,  白霖,  李晓敏,  于海龙,  徐云,  宋国峰

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李慧梅, 胡晓斌, 白霖, 李晓敏, 于海龙, 徐云, 宋国峰. In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(5): 520005-0520005(4). doi: 10.3788/IRLA201645.0520005
引用本文: 李慧梅, 胡晓斌, 白霖, 李晓敏, 于海龙, 徐云, 宋国峰. In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(5): 520005-0520005(4). doi: 10.3788/IRLA201645.0520005
shu
Li Huimei, Hu Xiaobin, Bai Lin, Li Xiaomin, Yu Hailong, Xu Yun, Song Guofeng. Numerical simulation study on In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As avalanche photodiode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 520005-0520005(4). doi: 10.3788/IRLA201645.0520005
Citation: Li Huimei, Hu Xiaobin, Bai Lin, Li Xiaomin, Yu Hailong, Xu Yun, Song Guofeng. Numerical simulation study on In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As avalanche photodiode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 520005-0520005(4). doi: 10.3788/IRLA201645.0520005
shu

In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究

doi: 10.3788/IRLA201645.0520005
  • 1.

    中国科学院半导体研究所 纳米光电子实验室,北京 100083

基金项目: 

国家重点基础研究发展计划(2011CBA00608,2012CB619203,2015CB351902,2015CB932402);国家科技重大专项计划(2011ZX01015-001);国家自然科学基金(61036010,61177070,11374295,U1431231)

详细信息
    作者简介:

    李慧梅(1991-),女,硕士生,主要从事雪崩光电二极管的设计和制备方面的研究。Email:lihuimei@semi.ac.cn;宋国峰(1965-),男,研究员,主要从事激光器与光电探测器的理论及研发方面的研究。Email:sgf@semi.ac.cn

    李慧梅(1991-),女,硕士生,主要从事雪崩光电二极管的设计和制备方面的研究。Email:lihuimei@semi.ac.cn;宋国峰(1965-),男,研究员,主要从事激光器与光电探测器的理论及研发方面的研究。Email:sgf@semi.ac.cn

  • 中图分类号: TN215

Numerical simulation study on In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As avalanche photodiode

  • 1.

    Nano-Optoelectronics Laboratory,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China

  • 摘要: 建立了SACM型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管(APD)的分析模型,通过数值研究和理论分析设计出高性能的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD。器件设计中,一方面添加了In0.52Al0.48As势垒层来阻挡接触层的少数载流子的扩散,进而减小暗电流的产生;另一方面,雪崩倍增区采用双层掺杂结构设计,优化了器件倍增区的电场梯度分布。最后,利用ATLAS软件较系统地研究并分析了雪崩倍增层、电荷层以及吸收层的掺杂水平和厚度对器件电场分布、击穿电压、IV特性和直流增益的影响。优化后APD的单位增益可以达到0.9 A/W,在工作电压(0.9 Vb)下增益为23.4,工作暗电流也仅是纳安级别(@0.9 Vb)。由于In0.52Al0.48As材料的电子与空穴的碰撞离化率比InP材料的差异更大,因此器件的噪声因子也较低。
    Abstract: An analytical modeling of In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As avalanche photodiode(APD) was proposed with In0.52Al0.48As charge layer between the absorption and multiplication region(SACM). Numerical study and theoretical analysis were performed to design a high performance In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD. An In0.52Al0.48As barrier layer was adopted to block minority carriers originated from contact regions in our APD. Simultaneously, double-doped multiplication layer was used to improve the electric field gradient change of the multiplication region and reduce the dark current. In addition, the influence of different doping level and different thickness of every layer on the energy band, the electric field distribution, breakdown voltage and current-voltage characteristics were also investigated by using device simulation software ATLAS from SILVACO international. The photodetector exhibits a high responsivity of 0.9 A/W at the unity gain. The gain is 23.4 at the operating voltage(0.9 Vb). Furthermore, the dark current is only in the nano-ampere orders of magnitude at 0.9 Vb.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-09-21
  • 修回日期:  2015-10-14
  • 刊出日期:  2016-05-25

In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管的数值模拟研究

doi: 10.3788/IRLA201645.0520005
  • 1. 中国科学院半导体研究所 纳米光电子实验室,北京 100083
    • 作者简介:

    李慧梅(1991-),女,硕士生,主要从事雪崩光电二极管的设计和制备方面的研究。Email:lihuimei@semi.ac.cn;宋国峰(1965-),男,研究员,主要从事激光器与光电探测器的理论及研发方面的研究。Email:sgf@semi.ac.cn

    李慧梅(1991-),女,硕士生,主要从事雪崩光电二极管的设计和制备方面的研究。Email:lihuimei@semi.ac.cn;宋国峰(1965-),男,研究员,主要从事激光器与光电探测器的理论及研发方面的研究。Email:sgf@semi.ac.cn

  • 收稿日期: 2015-09-21
  • 修回日期: 2015-10-14
  • 刊出日期: 2016-05-25
基金项目:

国家重点基础研究发展计划(2011CBA00608,2012CB619203,2015CB351902,2015CB932402);国家科技重大专项计划(2011ZX01015-001);国家自然科学基金(61036010,61177070,11374295,U1431231)

  • 中图分类号: TN215

摘要: 建立了SACM型In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As雪崩光电二极管(APD)的分析模型,通过数值研究和理论分析设计出高性能的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As APD。器件设计中,一方面添加了In0.52Al0.48As势垒层来阻挡接触层的少数载流子的扩散,进而减小暗电流的产生;另一方面,雪崩倍增区采用双层掺杂结构设计,优化了器件倍增区的电场梯度分布。最后,利用ATLAS软件较系统地研究并分析了雪崩倍增层、电荷层以及吸收层的掺杂水平和厚度对器件电场分布、击穿电压、IV特性和直流增益的影响。优化后APD的单位增益可以达到0.9 A/W,在工作电压(0.9 Vb)下增益为23.4,工作暗电流也仅是纳安级别(@0.9 Vb)。由于In0.52Al0.48As材料的电子与空穴的碰撞离化率比InP材料的差异更大,因此器件的噪声因子也较低。

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