橫向收集結(jié)構(gòu)鍺硅半導(dǎo)體雪崩探測(cè)器的設(shè)計(jì)研究

葉余杰，柯少穎，吳金鏞，李 成，陳松巖

(廈門大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361005)

1 引 言

近些年來(lái)，由于光通信與量子通信的不斷發(fā)展，近紅外通信波段的弱光探測(cè)成為了研究熱點(diǎn)。具有高內(nèi)增益與外量子效率的半導(dǎo)體雪崩探測(cè)器(Avalanche Photodiode,APD)被認(rèn)為是有希望實(shí)現(xiàn)低損耗，高效率的弱光探測(cè)的半導(dǎo)體探測(cè)器件，可廣泛應(yīng)用于光電通訊、生物檢測(cè)、化學(xué)分析等各方面[1-6]。

近年來(lái)，關(guān)于Ⅲ～Ⅴ族半導(dǎo)體材料APD的研究已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，例如InP/InGaAs[7-9]和InGaAs/InAlAs[10-11]APD等已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在近紅外波段(主要是1 310 nm和1 550 nm波長(zhǎng))的探測(cè)中。然而，這些Ⅲ～Ⅴ族APD被較大的(指接近1)的空穴電子離化率比(k值)導(dǎo)致的較大過(guò)剩噪聲所限制，很難進(jìn)一步提升器件特性。鍺材料制備的APD在近紅外通信波段的探測(cè)能力也受到廣泛關(guān)注[12-13]，但是由于過(guò)大的暗電流以及接近1的空穴電子離化率比，使其無(wú)法作為倍增層材料。另一種IV族元素硅則具有很低的k值(<0.1)，并且具有很好的暗電流以及倍增特性，使得硅被認(rèn)為是一種很合適的倍增材料。但是硅材料不吸收近紅外波段的光信號(hào)，純硅APD探測(cè)器也無(wú)法滿足通信需求。因此為了結(jié)合Ge、Si兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，以Ge為吸收層，Si為倍增層制備的分離的吸收電荷倍增多層(Separate Absorption Charge Multiplication,SACM)結(jié)構(gòu)成為了現(xiàn)在的研究熱點(diǎn)，并被認(rèn)為是有希望實(shí)現(xiàn)高效近紅外弱光探測(cè)的器件。

傳統(tǒng)的Ge/Si光電器件通常由外延生長(zhǎng)的方法制備，盡管這種方法已經(jīng)發(fā)展了很多年，但依然存在由Ge、Si材料間4.2%的晶格失配導(dǎo)致的外延Ge區(qū)域高穿透位錯(cuò)的問(wèn)題[14-15]。從而使噪聲較嚴(yán)重與暗電流特性較差。本課題組前期研究了一種有潛力的利用非晶鍺(a-Ge)作為中間層實(shí)現(xiàn)Si/Si、Ge/Si低溫鍵合的方法[16-18]。這種技術(shù)能夠?qū)⒏哔|(zhì)量的體鍺材料轉(zhuǎn)移到硅襯底上，實(shí)現(xiàn)高性能硅基鍺光電子器件的制備。

另外，傳統(tǒng)的縱向SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD通常不能達(dá)到很高的帶寬[19-21]，這是由于在Ge吸收層中電場(chǎng)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致載流子渡越時(shí)間較長(zhǎng)，從而降低了3dB帶寬。對(duì)于這一問(wèn)題，減少Ge層厚度可以有效提升器件的頻率響應(yīng)特性，然而減少Ge層厚度會(huì)使整體電場(chǎng)上升，進(jìn)而導(dǎo)致本征Ge吸收層中的電場(chǎng)過(guò)大，引起APD提前擊穿。綜上所述，現(xiàn)在的Ge/Si APD面臨著要降低暗電流以及提高頻率響應(yīng)兩個(gè)問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)了一種新的基于無(wú)氧化層Ge/Si鍵合界面的橫向吸收層結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)展現(xiàn)了一種特殊的電場(chǎng)分布，其包括橫向電場(chǎng)(橫向收集)與傳統(tǒng)縱向電場(chǎng)(縱向雪崩)。通過(guò)添加間隙區(qū)域、調(diào)整摻雜濃度，邊緣電場(chǎng)得到了很好的調(diào)控，并且提升了載流子的輸運(yùn)速度。優(yōu)化后，得到了接近20 GHz的高3 dB帶寬以及較低的暗電流。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模擬參數(shù)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1(a)為本文設(shè)計(jì)的橫向吸收結(jié)構(gòu)鍺硅APD。它主要由一塊SOI與Ge材料鍵合制得。首先在N型摻雜的頂層Si層上離子注入形成一層100 nm左右的p型區(qū)作為電荷層，再與體Ge材料一起濺射2 nm厚度的a-Ge進(jìn)行鍵合制得鍺硅異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，對(duì)Ge層利用smart-cut技術(shù)減薄后，進(jìn)行光刻與刻蝕得到臺(tái)面結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)離子注入形成高摻接觸層得到器件結(jié)構(gòu)。在仿真模擬中，將鍵合結(jié)構(gòu)的晶體質(zhì)量看作單晶體材料質(zhì)量，設(shè)置為無(wú)穿透位錯(cuò)。本文也模擬了相同臺(tái)面結(jié)構(gòu)的縱向APD進(jìn)行對(duì)比，其利用低高溫兩步法在Si襯底上外延生長(zhǎng)Ge材料制備得到，因此模擬仿真時(shí)在Ge/Si界面處設(shè)置了100 nm的高位錯(cuò)低溫Ge層(位錯(cuò)密度1016cm-3)，其上為低缺陷的高質(zhì)量Ge層(位錯(cuò)密度1012cm-3)，如圖1(b)所示。兩者入光面積相同，輸入光也相同，都為1 310 nm波長(zhǎng)，-30 dBm(1 μW)總光功率。

圖1 (a)橫向吸收結(jié)構(gòu)與(b)傳統(tǒng)縱向SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Schematic diagrams of the (a)lateral-collection Ge/Si APD and (b)traditional vertical SACM Ge/Si APD

2.2 模擬參數(shù)

本文主要采用了TCAD Silvaco商用軟件的atlas模塊對(duì)APD器件性能進(jìn)行仿真模擬，本工作中半導(dǎo)體光電特性方面的模擬主要基于對(duì)3個(gè)經(jīng)典方程(泊松方程，連續(xù)性方程，以及輸運(yùn)方程)的運(yùn)算。在本文模擬工作中，當(dāng)需要計(jì)算溫度依賴方程時(shí)，溫度(T)統(tǒng)一被設(shè)定為300 K(室溫)。響應(yīng)度(R)被定義為I(g=1)/P，I代表光電流，g代表增益，P代表光功率。3 dB帶寬被定義為10×log10(If/IM)，If代表光電流作為響應(yīng)頻率的函數(shù)，IM代表最大光電流。Ge/Si APD的雪崩模擬基于Selberherr′s碰撞電離模型[22]。電子和空穴的離化率用以下方程表達(dá)：

an=ANexp[-(BN/E)BETAN] ，

(1)

ap=APexp[-(BP/E)BETAP] ，

(2)

式中，AN、AP是和晶格溫度有關(guān)的參數(shù)，而BN、BP是和禁帶寬度以及光聲子平均自由程有關(guān)的參數(shù)，E是電場(chǎng)強(qiáng)度。對(duì)于硅材料，當(dāng)E<4×105V/cm時(shí)，AN=7.03×105cm-1，AP=1.58×106cm-1，BN=1.231×106cm-1，BP=2.036×106cm-1。 當(dāng)E≥4×105V/cm，AN=7.03×105cm-1，AP=6.71×105cm-1，BN=1.231×106cm-1，BP=1.693×106cm-1[22]。對(duì)于鍺材料，AN=1.55×107cm-1，AP=1×107cm-1，BN=1.56×106cm-1，BP=1.28×106cm-1[22]。BETAN(βn)和BETAP(βp)都被設(shè)為1。硅材料中的電子和空穴飽和漂移速度被分別設(shè)置為1×107和7×106cm/s，鍺材料中的電子和空穴飽和漂移速度被分別設(shè)置為7×106和6.3×106cm/s。[23]

3 模擬結(jié)果與討論

3.1 Gap區(qū)域的添加

為了在橫向收集結(jié)構(gòu)Ge/Si APD中得到均勻分布的電場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)有效的近紅外波段的吸收與雪崩倍增。需要考慮Si倍增層的摻雜濃度，在高摻n-Si與Ge/Si臺(tái)面間的Gap區(qū)域以及Si倍增層的厚度。最初的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)和通常的縱向SACM結(jié)構(gòu)類似，只是將高摻電子收集層橫向設(shè)置并減少了Ge層厚度。其電場(chǎng)分布如圖2(a)所示，可以發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)主要分布在Ge臺(tái)面區(qū)域的邊緣，且最高強(qiáng)度已經(jīng)超過(guò)了3×105V/cm，大大超過(guò)了Ge雪崩所需的電場(chǎng)強(qiáng)度，由圖2(c)中的I-V曲線也可以看出，器件由于Ge層中電場(chǎng)過(guò)大出現(xiàn)了提前擊穿的現(xiàn)象。這是由于將高摻n+-Si層橫向設(shè)置后，原本縱向SACM結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)平衡被打破，高摻n+-Si與Ge層更加接近，電場(chǎng)也主要由Ge層與n+-Si間形成的p-n結(jié)產(chǎn)生，然而，也由此產(chǎn)生了嚴(yán)重的邊緣電場(chǎng)效應(yīng)。

圖2 30 V反向偏壓下Ge/Si APD的電場(chǎng)分布圖(線性坐標(biāo))。(a)最早設(shè)計(jì)的APD結(jié)構(gòu)，其具有0.5 μm的Si層厚度，摻雜濃度為5×1015 cm-3。(b)在高摻Si層和臺(tái)面間添加了1 μm Gap后的器件結(jié)構(gòu)。(c)對(duì)應(yīng)的I-V曲線 Fig.2 Electric fields of Ge/Si APDs at 30 V reverse bias in linear coordinates. (a)The original APD with 0.5 μm top Si layer(doping concentration of 5×1015 cm-3), (b)the optimized APD with a gap of 1 μm between the mesa and n+-Si layer, (c)I-V curves

為了改善最初設(shè)計(jì)中臺(tái)面邊緣嚴(yán)重的邊緣電場(chǎng)效應(yīng)，在臺(tái)面與高摻n+-Si之間添加了一個(gè)gap區(qū)域，如圖2(b)所示。可以看到，由于這個(gè)gap區(qū)域的加入，臺(tái)面邊緣的電場(chǎng)強(qiáng)度得到了極大的削弱。但電場(chǎng)分布依然局限在兩側(cè)，由于沒(méi)能在Ge、Si層間形成均勻電場(chǎng)來(lái)引發(fā)有效的雪崩倍增，故不能正常工作。究其原因發(fā)現(xiàn)，這是由于Si倍增層是作為本征層模擬的，摻雜濃度只有5×1015cm-3，在p-Si電荷層與Si倍增層間的結(jié)效應(yīng)非常弱，Si倍增層與n+-Si間的結(jié)效應(yīng)也很弱，因此電場(chǎng)不能集中在Si倍增層區(qū)域。

圖3 30 V反向偏壓下不同Si倍增層摻雜濃度的Ge/Si APD的電場(chǎng)分布圖(線性坐標(biāo))。(a)1×1016 cm-3; (b)5×1016 cm-3; (c)1×1017 cm-3; (d)5×1017 cm-3 Fig.3 Electric fields (linear coordinate) of Ge/Si APDs with the doping concentrations of (a)1×1016 cm-3, (b)5×1016 cm-3, (c)1×1017 cm-3, and (d)5×1017 cm-3 at 30 V reverse bias

3.2 Si倍增層的摻雜濃度調(diào)整

根據(jù)上文的分析，嘗試通過(guò)改變Si倍增層的摻雜濃度來(lái)調(diào)節(jié)APD中各結(jié)效應(yīng)的影響。因此模擬了不同摻雜濃度的Si倍增層對(duì)電場(chǎng)分布的影響，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)摻雜濃度提升到1×1016cm-3時(shí)，由于縱向結(jié)效應(yīng)的提升，電場(chǎng)分布有從兩側(cè)的gap區(qū)域向中間倍增層延伸的趨勢(shì)。當(dāng)摻雜濃度提高到5×1016cm-3時(shí)，電場(chǎng)不再主要分布于gap區(qū)域，而是在Ge層與Si層間均勻分布，類似傳統(tǒng)的SACM結(jié)構(gòu)中的電場(chǎng)分布。然而，當(dāng)繼續(xù)增加摻雜濃度到1×1017cm-3，Si層中的高電場(chǎng)分布區(qū)域減少，高場(chǎng)區(qū)延伸到Ge層中。最后，當(dāng)摻雜濃度提高到5×1017cm-3時(shí)，電場(chǎng)幾乎都集中在Ge層中。

不同摻雜濃度APD對(duì)應(yīng)的I-V曲線如圖4(a)所示?？梢?，隨著摻雜濃度的提高，雪崩電壓隨之下降，這是由于Ge層中的電場(chǎng)強(qiáng)度提升，導(dǎo)致了Ge層中的載流子碰撞離化，形成提前雪崩。為了對(duì)比鍵合方法制備的器件與外延生長(zhǎng)制備的器件性能，也模擬了低高溫兩步法鍵合制備的Ge/Si APD[24-25]，發(fā)現(xiàn)相比于外延法生長(zhǎng)制備的APD，由于穿透位錯(cuò)的降低，鍵合法能得到小得多的暗電流，有利于實(shí)現(xiàn)高效的近紅外微光探測(cè)。

圖4 (a)I-V曲線; (b)0 V偏壓下的器件能帶模擬圖; (c)30 V偏壓下的器件能帶模擬圖 Fig.4 (a)I-V curves, (b)energy band diagrams of devices at 0 V bias, and (c)at 30 V bias with different doping concentration of top Si layer

圖4(b)展示了模擬得到的不同摻雜濃度下的APD能帶圖，可以觀察到電荷層附近存在一個(gè)i-p--n-(Ge/Si/Si)雙結(jié)結(jié)構(gòu)。較低摻雜濃度的器件較高摻的器件展現(xiàn)出更高的導(dǎo)帶勢(shì)壘(～0.7 eV)，Ge吸收層中的電子很難克服較大的勢(shì)壘進(jìn)入倍增層。另外，可以在圖4(c)中看到，對(duì)于較低摻雜濃度的器件，即使偏壓升高到30 V，勢(shì)壘依然存在，因此中心區(qū)域無(wú)法得到高電場(chǎng)，只能被局限在臺(tái)面邊緣。圖中也能觀察到，一方面勢(shì)壘高度隨著摻雜濃度的提升而下降，這對(duì)于載流子輸運(yùn)是有利的；但另一方面Si倍增層中耗盡區(qū)的寬度也會(huì)隨著摻雜濃度的提升而減小，這對(duì)于載流子的雪崩倍增是不利的，Si倍增層中需要形成一個(gè)足夠大、足夠強(qiáng)的電場(chǎng)才能使載流子通過(guò)碰撞離化過(guò)程倍增產(chǎn)生增益。除此之外，根據(jù)Ge/Si APD中的電場(chǎng)分布[19]，Ge層中的電場(chǎng)也需要一個(gè)合適的范圍(10～100 kV/cm)，在保證載流子順利輸運(yùn)的同時(shí)，避免發(fā)生碰撞離化而導(dǎo)致暗電流過(guò)高。最終，為了取得均勻分布的電場(chǎng)，將摻雜濃度設(shè)定為5×1016cm-3。

3.3 Si倍增層的尺寸影響

當(dāng)確定了摻雜濃度對(duì)電場(chǎng)分布的影響后，再對(duì)倍增層的尺寸進(jìn)行研究。圖5展示了不同厚度Si層的APD的電場(chǎng)分布及其I-V曲線?？梢钥吹?，當(dāng)Si層的厚度為300 nm時(shí)(圖5(a))，Si倍增層的厚度太薄，無(wú)法達(dá)到完全耗盡所需的厚度，不能起到調(diào)節(jié)電場(chǎng)分布的作用，其I-V曲線也顯示它不能正常工作。前文圖3(b)中Si層厚度為500 nm，其電場(chǎng)分布的區(qū)域與強(qiáng)度相比于300 nm均有所優(yōu)化，也實(shí)現(xiàn)了正常的雪崩倍增。當(dāng)厚度繼續(xù)提升到1 μm時(shí)(圖5(b))，Ge層和Si層中的電場(chǎng)都變得更加均勻，呈現(xiàn)一種類SACM結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)分布，并且I-V曲線體現(xiàn)出的光響應(yīng)度特性也有所提高。這表明倍增層厚度對(duì)于Ge/Si間結(jié)效應(yīng)的增強(qiáng)與電場(chǎng)分布的調(diào)控有積極作用。但當(dāng)厚度繼續(xù)增加，大于1 μm時(shí)(圖5(c))，電場(chǎng)分布和I-V曲線均未有明顯變化。這是因?yàn)榭v向和橫向雙結(jié)的作用區(qū)都主要集中在Ge/Si界面附近，Si倍增層中耗盡區(qū)之外的部分對(duì)器件功能影響較小。結(jié)合以上分析，將Si倍增層厚度設(shè)定為1 μm。

圖5 不同厚度Si層電場(chǎng)分布示意圖及其I-V曲線。(a)300 nm；(b)1 μm；(c)1.5 μm(d)I-V曲線 Fig.5 Electric fields(linear coordinate) of Ge/Si APDs with (a)300 nm, (b)1 μm, and (c)1.5 μm thick top Si layer and (d)corresponding I-V curves

另一個(gè)可能影響器件性能的倍增層尺寸參數(shù)就是gap區(qū)的寬度。如圖6(a)所示，當(dāng)gap區(qū)寬度為0 μm時(shí)，APD中顯示出一種不均勻的電場(chǎng)分布，這是由于Ge臺(tái)面靠近高摻N-Si區(qū)會(huì)導(dǎo)致APD提前擊穿(這里沒(méi)有給出I-V曲線)。直到gap區(qū)的寬度提高到1 μm時(shí)，該結(jié)構(gòu)終于避免了提前擊穿，類SACM結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)形成，變得可以實(shí)現(xiàn)正常雪崩。這表明需要一定的gap寬度從物理距離上削弱高摻N-Si與Ge臺(tái)面的pn結(jié)效應(yīng)。而隨著gap寬度的增加，縱向電場(chǎng)分布幾乎沒(méi)有變化。這說(shuō)明縱向電場(chǎng)分布與gap寬度變化是獨(dú)立的。本文提取了不同gap區(qū)寬度的APD的橫向電場(chǎng)，如圖7(a)所示?？梢钥吹?，高場(chǎng)區(qū)在gap區(qū)達(dá)到1 μm時(shí)已經(jīng)達(dá)到最大，再繼續(xù)增大gap區(qū)域?qū)挾?，只是增加了低?chǎng)區(qū)的范圍，對(duì)載流子輸運(yùn)是不利的。圖7(b)也表明了隨著gap區(qū)寬度的提升，器件整體頻率響應(yīng)特性是下降的，1 μm時(shí)可以達(dá)到接近20 GHz的3 dB帶寬，已經(jīng)優(yōu)于傳統(tǒng)縱向結(jié)構(gòu)的Ge/Si APD。

圖6 不同寬度gap區(qū)電場(chǎng)分布示意圖(對(duì)數(shù)坐標(biāo))。(a)0 μm；(b)1 μm；(c)2 μm；(d)5 μm Fig.6 Electric fields(logarithmic coordinates) of Ge/Si APDs with (a)0 μm, (b)1 μm, (c)2 μm, and (d)5 μm wide gap region

圖7 不同寬度gap區(qū)的(a)橫向電場(chǎng)分布和(b)對(duì)應(yīng)的3 dB帶寬 Fig.7 Lateral electric fields(a) and the related 3 dB-BW(b) of the APDs with different width of gaps

3.4 對(duì)器件3 dB帶寬的分析

為了進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)的橫向收集結(jié)構(gòu)Ge/Si APD的高帶寬特性。模擬計(jì)算得到了縱向SACM結(jié)構(gòu)和該橫向收集結(jié)構(gòu)器件的主要載流子(電子)的速率分布，如圖8(a)和8(d)所示?？梢钥闯鰞煞N結(jié)構(gòu)具有一定的相似性，高速區(qū)都集中在器件邊緣，并且Si層的速率都高于Ge層。這是由電場(chǎng)分布以及不同材料的載流子遷移率共同決定的。

圖8 縱向SACM結(jié)構(gòu)APD的(a)電子速率；(b)電流方向(和電子輸運(yùn)方向相反)和(c)縱向電子速率分布；本文設(shè)計(jì)的橫向吸收結(jié)構(gòu)APD的(d)電子速率；(e)電流方向(和電子輸運(yùn)方向相反)和(f)縱向電子速率分布，插圖中是橫向速率分布 Fig.8 (a)-(c) The electron velocity(linear coordinates), direction of current flow(contrary to electrons transport) and vertical electron velocity curve in edge of SACM APD; (d)-(f)the electron velocity, direction of current flow and vertical electron velocity curve of proposed APD. Inset shows the lateral electron velocity

如上文所述，本文設(shè)計(jì)的基于鍵合技術(shù)制備的Ge/Si APD是橫向收集載流子的。因此器件的頻率響應(yīng)特性需要重點(diǎn)考慮橫向結(jié)構(gòu)部分，比如gap區(qū)域。圖8(d)就展現(xiàn)了器件中電子輸運(yùn)的速率分布，可以看到電子在連接本征Si倍增區(qū)和高摻Si收集區(qū)的gap區(qū)具有很大的速率。這會(huì)減少載流子在倍增層雪崩后到被收集的輸運(yùn)時(shí)間。這是由于改變參數(shù)后，p+-i-p--n-與n--n+雙結(jié)的結(jié)效應(yīng)有所提升，共同作用于gap區(qū)的結(jié)果。同時(shí)，圖8(b)和8(e)通過(guò)展示器件中的電流密度矢量表明了兩種器件中的電流方向與大小。這兩幅圖說(shuō)明了載流子在該器件的Si層中是橫向輸運(yùn)收集的，與傳統(tǒng)SACM結(jié)構(gòu)的縱向輸運(yùn)不同。更重要的是，可以看到在本文設(shè)計(jì)的APD中，載流子輸運(yùn)主要發(fā)生在臺(tái)面邊緣及兩側(cè)，而在SACM APD中則一般是在中間部分。這可以由獨(dú)特的橫向收集結(jié)構(gòu)和邊緣電場(chǎng)效應(yīng)解釋。由于n+-Si收集層設(shè)置在側(cè)面即橫向方向，而經(jīng)過(guò)參數(shù)優(yōu)化后載流子又會(huì)如同傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)一樣在Ge層中吸收后縱向輸運(yùn)到下方的Si層中雪崩倍增，載流子輸運(yùn)受到橫向電場(chǎng)以及邊緣電場(chǎng)的共同影響，路徑集中在兩側(cè)，這極大地加速了載流子的輸運(yùn)過(guò)程。為了方便進(jìn)一步討論，本文提取出了兩種不同結(jié)構(gòu)的電子速率曲線，如圖8(c)和8(f)所示。可以看到整體速率是橫向結(jié)構(gòu)高于縱向結(jié)構(gòu)的。這是由于獨(dú)特的收集結(jié)構(gòu)導(dǎo)致輸運(yùn)路徑在高速區(qū)。圖8(f)中的插圖展示了橫向上的電子速率，可以發(fā)現(xiàn)在載流子輸運(yùn)集中的地方(gap區(qū))具有很大的電子速率。這些結(jié)果表明了本文設(shè)計(jì)的橫向吸收結(jié)構(gòu)APD，其載流子輸運(yùn)路徑和電場(chǎng)分布引起的高速區(qū)一致，比傳統(tǒng)SACM結(jié)構(gòu)具有更快的載流子輸運(yùn)速率，極大地減少了載流子輸運(yùn)時(shí)間，并提高了器件的3 dB帶寬。

4 性能模擬與結(jié)果

在對(duì)設(shè)計(jì)的APD電場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，選擇摻雜濃度為5×1016cm-3，厚度為1 μm的Si倍增層以及gap區(qū)域?qū)挾葹? μm的器件進(jìn)行測(cè)試。接下來(lái)選取了3組不同的Ge吸收層厚度(0.5 μm，0.6 μm，0.7 μm)來(lái)仿真測(cè)試器件性能，并驗(yàn)證器件在薄Ge吸收層下能否正常工作。

圖9(a)展示了模擬得到的不同Ge吸收層厚度APD的I-V曲線，發(fā)現(xiàn)隨著Ge吸收層厚度的增加，雪崩電壓提升明顯。這是由于Ge層中耗盡區(qū)域的增加導(dǎo)致相同偏壓下整體電場(chǎng)強(qiáng)度的下降，需要更高的偏壓才能滿足Si倍增層所需的高電場(chǎng)。圖9(b)展示了3 dB帶寬特性的對(duì)比結(jié)果。可以明顯看出，隨著Ge吸收層厚度的增加，3 dB帶寬不斷減小。這是由于電子在Ge層中渡越時(shí)間增加。如表1所示，隨著Ge吸收層厚度的增加，響應(yīng)度也隨之增大。為了實(shí)現(xiàn)高的3 dB帶寬和響應(yīng)，本文選擇了0.6 μm的吸收層厚度，并模擬得到了19.6 GHz的3 dB帶寬和0.7 A/W的響應(yīng)度。同時(shí)對(duì)圖1(b)所示的類似參數(shù)的縱向SACM結(jié)構(gòu)進(jìn)行了同樣的模擬仿真，雖然在0.6 μm吸收層參數(shù)下取得了16.6 GHz的高帶寬，但是由于吸收層厚度過(guò)薄，器件在雪崩后1 V內(nèi)就擊穿了，使得其無(wú)法正常工作。因此，對(duì)于傳統(tǒng)縱向SACM結(jié)構(gòu)的Ge/Si APD來(lái)說(shuō)，很難簡(jiǎn)單地通過(guò)減少Ge吸收層厚度的方法來(lái)提高帶寬。這是因?yàn)檩^強(qiáng)的縱向結(jié)效應(yīng)容易導(dǎo)致Ge吸收層厚度降低，從而使Ge層中的電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，最終導(dǎo)致器件提前擊穿。較好的SACM結(jié)構(gòu)Ge/Si APD實(shí)驗(yàn)值由參考文獻(xiàn)[24-25]給出，也列在表1中。

圖9 不同Ge吸收層厚度(0.5 μm，0.6 μm，0.7 μm)模擬得到的(a)I-V曲線、增益和(b)3dB帶寬 Fig.9 (a)I-V curves, gain and (b)3 dB-BW of devices with different Ge absorption layer thicknesses(0.5 μm, 0.6 μm, 0.7 μm) under an optical input power of -30 dBm at 1 310 nm

器件雪崩電壓/V暗電流/A響應(yīng)度/(A·W-1)3 dB帶寬/GHz0.5 μm吸收層橫向-21.8510-120.62220.4縱向在雪崩倍增前提前擊穿,不能工作0.6 μm吸收層橫向-23.6510-120.70119.6縱向-29.110-81.0516.60.7 μm吸收層橫向-25.5510-120.77417.6縱向-30.110-81.213.3縱向APD[20]-2410-70.5513縱向APD[21]-2210-90.8513

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并模擬優(yōu)化了一種有潛力的、具有新結(jié)構(gòu)的Ge/Si APD，將縱向的吸收-倍增和橫向的載流子收集相結(jié)合?；阪I合技術(shù)，高質(zhì)量的體Ge和Si材料可以分別用于制備APD的吸收層和倍增層。研究發(fā)現(xiàn)Si倍增層的摻雜濃度對(duì)結(jié)效應(yīng)具有顯著影響，主導(dǎo)了縱向上類SACM結(jié)構(gòu)電場(chǎng)的產(chǎn)生。在臺(tái)面和高摻n+-Si間添加的gap區(qū)域有助于調(diào)控邊緣電場(chǎng)效應(yīng)。另外，Si倍增層的厚度也對(duì)器件性能具有一定影響，需要一定厚度才能保證完全耗盡。在經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，最終仿真得到了具有0.7 A/W響應(yīng)度，19.6 GHz 3 dB帶寬以及10-12A暗電流的高性能Ge/Si APD器件。