InGaAs/Si鍵合界面a-Si鍵合層厚度對InGaAs/Si雪崩光電二極管性能的影響

佘實現(xiàn)，張燁，黃志偉，周錦榮，柯少穎

（閩南師范大學物理與信息工程學院，福建漳州363000）

0 引言

雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）是一種常見的微弱光探測器件，常用于量子通信［1-2］、激光雷達［3-4］、深空探測［5-6］等高靈敏度光探測領域。與傳統(tǒng)的PIN 光電探測器相比，APD 倍增區(qū)可以在高電場下發(fā)生連續(xù)碰撞電離，從而實現(xiàn)極高的增益（響應度），其性能主要取決于光的吸收和載流子的倍增。在過去十幾年中，以In0.53Ga0.47As（下文簡稱InGaAs）為吸收區(qū)，InP 為倍增區(qū)的吸收-漸變-電荷-倍增分離結構的InGaAs/InP APD［7-9］由于具備精確調(diào)制吸收區(qū)和倍增區(qū)中的電場而成為主流的研究方向之一。其次，InGaAs 與InP 晶格匹配，因此InP 上可以外延出晶體質(zhì)量極高的InGaAs 材料。再者，InGaAs 吸收材料在近紅外通信波段（1 310 nm 和1 550 nm）具備極高的吸收系數(shù)，因此該器件常被用于遠距離傳輸系統(tǒng)和城域中繼網(wǎng)絡［10-12］。

眾所周知，高性能APD 的實現(xiàn)不僅需要高的吸收，而且需要超快的雪崩倍增建立速度，同時具備極低的雪崩倍增噪聲，而評價雪崩倍增噪聲的關鍵指標是電子空穴電離系數(shù)比（k值），k值越小表明單類型載流子在倍增區(qū)的碰撞電離越凸顯，APD 可以實現(xiàn)越小的噪聲。雖然InGaAs 在近紅外波段吸收效率高，然而外延InP 倍增材料不僅存在高密度深能級缺陷，而且k值高達0.3～0.5［13-14］，因此InGaAs/InP APD 的噪聲極大、帶寬受到限制，特別對于單光子探測而言，InP 倍增層中的深能級缺陷會導致器件后脈沖效應加劇，使得器件暗計數(shù)率上升。雖然近期有科研人員采用InAlAs代替InP 作為器件倍增層使得器件的帶寬得到極大的提高，然而InAlAs的k值仍然高達0.15～0.3［15-16］，無法從根本上降低器件噪聲，這使得InP 基器件極難應用于近室溫微弱光探測。

為進一步改善器件的噪聲特性，將Ⅲ-Ⅴ族材料與Ⅳ族材料異族結合成為熱門的研究方向［17-19］，Ⅳ族Si材料k 值低至0.02［20］，因此Si 材料被認為是最理想的雪崩倍增材料，且單元素Si 材料中的缺陷密度相比于化合物半導體來說要小得多，更重要的是Si 基APD 具備極低的溫度靈敏度［21］，能適用于不同溫度場合的高性能探測。然而，Si 與InGaAs 之間仍存在7.7%的晶格失配，因此在Si 上外延的InGaAs 薄膜中存在高密度的穿透位錯（109～1010cm-2［22］）。HAWKINS A R 等［23］率先采用高溫下直接鍵合的方法將InGaAs 與Si 材料異族鍵合，并以InGaAs 為吸收區(qū)，Si 為倍增區(qū)實現(xiàn)InGaAs/Si APD 的制備，然而由于直接鍵合中InGaAs 與Si是直接接觸在一起，鍵合界面失配位錯成核導致InGaAs 中形成高密度位錯，使得器件暗電流變大。雖然后續(xù)該課題組將鍵合溫度降低至300°C 并實現(xiàn)氣泡的消除［24］，然而鍵合界面晶格失配問題仍沒能得到解決。

為徹底消除InGaAs/Si 晶格失配對位錯成核的影響，在鍵合界面引入非晶半導體鍵合層（如a-Si、a-Ge）是理想的選擇，非晶半導體由于沒有晶格，因此與單晶InGaAs 之間不存在晶格失配，失配位錯成核的源頭被徹底根除。其次，非晶半導體鍵合不僅可以消除晶格失配的影響，而且可以保證薄膜材料的光電特性，更重要的是相比于絕緣氧化物和膠質(zhì)鍵合層［25-27］來說，非晶半導體材料可以實現(xiàn)能帶連續(xù)，確保載流子在鍵合界面的電學輸運特性。然而，無晶向的非晶半導體面臨缺陷密度高、與鍵合材料帶隙不匹配等問題，國際上關于非晶半導體鍵合層對高壓APD 器件性能的影響鮮有報道。本文理論研究了InGaAs/Si鍵合界面a-Si鍵合層厚度對InGaAs/Si APD 光電流、暗電流、碰撞電離率、增益、3 dB 帶寬等性能的影響，分析鍵合器件性能影響因素，為實現(xiàn)高性能的InGaAs/Si APD 的制備提供理論指導。

1 模型與參數(shù)設計

本文基于泊松方程［28］（式（1））、載流子輸運模型［29］（式（2）～（5））、鍵合界面非局域隧穿模型［30］（式（6）～（8））、碰撞電離模型［31］（式（9）和（10））、鍵合界面隧穿WKB 近似［32］（式（11））、a-Si 缺陷模型等理論［33］對InGaAs/Si APD 器件性能進行理論計算。本理論模擬的計算流程為：1）器件結構設置；2）有限元網(wǎng)格劃分；3）設置不同網(wǎng)格區(qū)域的材料及電極參數(shù)；4）重點對鍵合界面a-Si附近的隧穿模型進行設置，定義了一個包含a-Si的非局域隧穿區(qū)域實現(xiàn)載流子傳輸；5）設置各層的摻雜濃度和材料基本參數(shù)；6）設置模型及計算方法。泊松方程表示為

式中，ε表示靜電常數(shù)，ψ表示靜電勢能，ρ表示電荷的體密度。

載流子輸運模型表示為

式中，n和p為電子和空穴濃度，Jn和Jp為電子和空穴電流密度，Gn和Gp均表示載流子的產(chǎn)生率，Rn和Rp均表示載流子的復合率。

式中，q為單位電荷，μn和μp為電子和空穴遷移率，?n和?p為電子和空穴的準費米能級。對于直接帶隙半導體材料，隧穿電流為

式中，my和mz為狀態(tài)密度有效質(zhì)量，EFr和EFl為勢壘邊緣準費米能級。對于間接帶隙半導體材料，隧穿電流為

式中，mt為橫向有效質(zhì)量，ml為縱向有效質(zhì)量，mlh和mhh為輕空穴和重空穴有效質(zhì)量。

式中，αn和αp分別為電子和空穴的碰撞電離率，E為電場，其余參數(shù)均為設置參數(shù)。

式中，k為勢壘內(nèi)的電子波矢量，d為勢壘寬度。

鍵合InGaAs/Si APD 器件結構如圖1所示。本文模擬的鍵合InGaAs/Si APD 的制備流程：將InP 上外延的高質(zhì)量InGaAs 吸收層與Si上外延的高質(zhì)量Si倍增層采用磁控濺射的超薄a-Si鍵合層進行異族集成，實現(xiàn)共價鍵合，鍵合后采用選擇性濕法腐蝕技術將InP 襯底去除，從而獲得分離-吸收-電荷-倍增APD 結構。n型重摻雜Si襯底（1×1019cm-3）；Si倍增層厚度為0.5 μm；Si電荷調(diào)制層厚度為0.1 μm、摻雜濃度為2×1017cm-3；為緩沖InGaAs/Si鍵合界面導帶帶階，我們在InGaAs/Si 界面引入一層InGaAs 漸變層，漸變層厚度為0.08 μm，Ga 組分從0.47 漸變到0.85；InGaAs 吸收層厚度為0.8 μm，P+-InGaAs 電極接觸層厚度為0.1 μm、摻雜濃度為1×1019cm-3；a-Si鍵合層厚度從0.5 nm 變化到1.7 nm。模型材料具體參數(shù)如表1所示。

圖1 鍵合InGaAs/Si APD 器件結構圖Fig.1 Device structure of bonded InGaAs/Si APD

表1 InGaAs/Si APD 模型材料參數(shù)Table 1 Material parameters of InGaAs/Si APD

續(xù)表

2 結果與討論

首先，模擬a-Si鍵合層厚度（da）對InGaAs/Si APD 暗電流的影響，如圖2（a）所示。從圖中可以看出，隨著da的增加，器件暗電流在偏壓較小時變化不大，但當偏壓接近或大于雪崩電壓時候，暗電流大幅下降。值得注意的是，從圖2（a）中的插圖可以看出，當da從0.5 nm 增至1.0 nm 時，暗電流下降趨勢最為明顯。其次，在1 550 nm 光照下（-20 dBm）模擬了器件光電流隨da的變化，如圖2（b）所示。從圖中可以看出，隨著da的增加，光電流呈下降趨勢，當da從0.5 nm 增加到1.7 nm 時，光電流從10-3A 降低至10-4A，呈現(xiàn)數(shù)量級的變化。值得注意的是，從圖2（c）中可以看出，光電流和暗電流曲線在雪崩后并未重合在一起，而是出現(xiàn)了光暗電流間隙，電流間隙寬度約為一個數(shù)量級的電流，這是目前已報道的采用外延制備的APD 中所沒有的特性（外延APD 在雪崩后光暗電流相互交疊）。這表明采用a-Si鍵合層實現(xiàn)的InGaAs/Si APD 可以將器件噪聲降低至少一個數(shù)量級，這對于實現(xiàn)超低噪聲單光子探測來說具有重要參考價值。

圖2 APD I-V 曲線隨da的變化Fig.2 I-V curves of the APDs as a function of da

為解釋光暗電流異常變化原因，模擬了APD 復合率隨da的變化，如圖3所示。從圖3（a）可以看出，隨著da的增加，Si 雪崩層與Si 襯底層復合率都呈現(xiàn)下降趨勢，從而導致APD 暗電流下降，且當da由0.5 nm 增至1.0 nm 時，變化趨勢最明顯。從圖中還可以看出，鍵合界面的復合率比吸收區(qū)和倍增區(qū)大，鍵合界面a-Si鍵合層內(nèi)的復合率放大圖如圖3（b）所示，從圖中可以看出，隨著da的增加，a-Si鍵合層內(nèi)復合率呈上升趨勢，且a-Si鍵合層中間位置復合率最大。

圖3 APD 復合率隨da的變化Fig.3 Recombination rate of the APD as a function of da

為解釋鍵合界面復合率變化的原因，模擬APD 中載流子濃度隨da的變化，如圖4（a）和4（b）所示。從圖中可以看出，隨著da的增加，電子濃度與空穴濃度在Si 倍增層內(nèi)都呈下降趨勢，空穴濃度在Si 襯底呈現(xiàn)下降趨勢，導致倍增層和襯底中復合率隨da的增加而下降。從圖4（a）和4（b）中的插圖可以看出，隨著da的增加，電子濃度在鍵合層內(nèi)呈現(xiàn)下降趨勢，而空穴濃度在鍵合層內(nèi)呈現(xiàn)上升趨勢。可以得出，a-Si鍵合層空穴濃度的增加導致鍵合層復合率的上升。值得注意的是，隨著da的增加，InGaAs/a-Si 界面空穴濃度呈現(xiàn)下降趨勢，而a-Si/Si 界面空穴濃度呈現(xiàn)上升趨勢。從圖4（c）電荷濃度分布圖也可以看出，隨著da的增加，電荷濃度在a-Si/Si 界面呈上升趨勢，表明電荷在a-Si/Si 界面發(fā)生嚴重堆積。

圖4 載流子濃度和電荷濃度隨da的變化Fig.4 Carrier concentration and charge concentration as a function of da

為解釋InGaAs/Si鍵合界面載流子濃度的變化，模擬InGaAs/Si APD 價帶和導帶隨da的變化，如圖5（a）和5（b）所示。從圖5（a）中可以看出，由于In0.53Ga0.47As 的電子親和能為4.5 eV，而a-Si 與Si 的電子親和能為4.17 eV，因此In0.53Ga0.47As/a-Si 界面存在較大的導帶帶階，為消除帶階對帶寬的影響，在In0.53Ga0.47As/a-Si 界面插入一層厚度為0.08 μm、Ga 組分從0.47 漸變到0.85 的InGaAs 層以緩解導帶帶階，但Ga組分的增加導致InGaAs的帶隙變大，使得帶階落在價帶上。隨著da的增加，鍵合界面a-Si鍵合層的勢壘寬度逐漸增大，a-Si鍵合界面空穴隧穿率逐漸下降，如圖6（a）所示。由于Si雪崩層電離的空穴需越過a-Si勢壘，經(jīng)過InGaAs 本征層，最終被p+-InGaAs 收集，因此空穴隧穿率下降導致空穴在a-Si/p-Si界面發(fā)生嚴重堆積，進一步導致a-Si層內(nèi)空穴濃度的上升。其次，空穴隧穿率的下降導致隧穿過a-Si層的空穴數(shù)量急劇下降，使得InGaAs/a-Si界面空穴濃度隨da的增加而變小。另一方面，從圖5（b）中可以看出，隨著da的增加，a-Si鍵合層電子親和能并未發(fā)生變化，因此鍵合界面導帶帶階不變，而電子濃度隨da的增加卻呈現(xiàn)下降趨勢。為解釋a-Si鍵合層內(nèi)電子濃度隨da變化的原因，模擬碰撞電離率與da的關系，如圖6（b）和6（c）所示。

圖5 APD 能帶隨da的變化Fig.5 Energy band of the APD as a function of da

從圖中可以看出，隨著da的增加，InGaAs 吸收層和Si倍增層內(nèi)的碰撞電離率均呈現(xiàn)下降趨勢，這與圖4 中的電子空穴濃度變化趨勢一致，這也進一步表明a-Si層內(nèi)電子濃度的下降是由于碰撞電離率下降導致的。綜上可得，由于導帶帶階隨da的增加并未發(fā)生變化，因此電子濃度的變化主要受碰撞電離率的影響，而價帶帶階寬度隨da的增加而增加，因此空穴濃度的變化不僅與碰撞電離率有關，而且與鍵合界面載流子的堆積效應有關，界面勢壘寬度的增加導致載流子輸運更加困難，從而影響整個器件結構中的空穴濃度分布。圖6（d）為器件電場分布，從圖中可以看出，隨著da的增加，Si倍增層內(nèi)電場呈現(xiàn)下降趨勢，導致Si倍增層內(nèi)碰撞電離率下降，而InGaAs 層中電場和碰撞電離率呈現(xiàn)相反趨勢，主要是由于低場下碰撞電離效果不明顯，其次鍵合界面載流子阻擋作用，導致該層內(nèi)碰撞電離率出現(xiàn)異常。另一方面，a-Si層內(nèi)的電場隨著da的增加而增強，這主要是由于隨著da的增加，鍵合界面a-Si鍵合層的電阻變大，鍵合界面分壓效應增強，導致a-Si鍵合層內(nèi)電場變大。

通過光電流提取了InGaAs/Si APD 的增益隨da的變化，如圖7（a）所示。從圖中可以看出，隨著偏壓的增加，器件的增益逐漸增加，當偏壓接近擊穿電壓后增益達到最高值。其次，隨著da的增加，增益呈下降趨勢，當da=0.5 nm 時，增益達到最高，約為16。APD 增益下降主要是由于隨著da的增加，鍵合界面a-Si鍵合層的勢壘寬度增加，空穴隧穿率下降，載流子在a-Si/Si 界面發(fā)生嚴重堆積效應，器件中參與導電的空穴濃度急劇下降，導致光電流下降，進而使得器件增益呈下降趨勢。

圖7 增益、3dB 帶寬、載流子速率隨da的變化Fig.7 Gain，3dB bandwidth，and carrier velocity as a function of da

同時提取了InGaAs/Si APD 的3dB 帶寬，如圖7（b）所示。從圖中可以看出，隨著da的增加，器件的3 dB帶寬整體呈現(xiàn)下降趨勢，且變化斜率逐漸增大，變化速率逐漸加快，當偏壓為-24 V 時，帶寬約為6 GHz。為解釋帶寬下降的原因，模擬載流子速率隨da的變化，如圖7（c）所示。從圖中可以看出，隨著da的增加，InGaAs 層的空穴速率幾乎不變，而電子速率呈下降趨勢，導致電子渡越時間下降，且隨著da的增加，鍵合界面a-Si鍵合層電阻逐漸增大，器件RC 時間常數(shù)增加，從而導致3 dB 帶寬下降。然而，從圖7（c）和圖6（d）中的插圖可以看出，a-Si鍵合層內(nèi)的電子和空穴速率均呈現(xiàn)上升趨勢，這主要是由于隨著da的增加，a-Si鍵合層內(nèi)的電場逐漸增強（圖6（d）），a-Si鍵合層內(nèi)電子和空穴速率均未達到飽和，因此隨著da的增加，a-Si鍵合內(nèi)載流子速率上升。綜上所述，隨著da的增加，雖然器件的暗電流在偏壓超過雪崩電壓之后急劇下降，并出現(xiàn)光暗電流間隙，為低噪聲InGaAs/Si APD 的研制指明了方向，然而隨著da的增加，空穴阻擋效應逐漸增強，器件增益和帶寬均呈現(xiàn)下降趨勢，當da=0.5 nm 時，器件可以獲得較好性能。

3 結論

本文理論上研究了InGaAs/a-Si/Si鍵合界面a-Si 厚度（da）對InGaAs/Si APD 性能的影響。研究結果表明，隨著da的增加，鍵合界面a-Si鍵合層的勢壘寬度逐漸增加，空穴隧穿率急劇下降，a-Si/Si 界面空穴阻擋效應增強，空穴在a-Si/Si 界面發(fā)生嚴重堆積，導致APD 中載流子濃度下降，復合率降低，使得器件暗電流下降。值得注意的是，在a-Si 阻擋效應的作用下，APD 在雪崩后光暗電流并未重合，光暗電流出現(xiàn)一個數(shù)量級的電流間隙，這將有利于實現(xiàn)APD 超低的噪聲，與此同時，APD 的增益和帶寬隨da的增加而下降。因此，選用較薄的a-Si鍵合層不僅可以在室溫下獲得極低的暗電流，且能保證較高的增益和帶寬。