InGaAs/InAlAs SAGCM 애벌랜치 포토다이오드의 이론적 분석

배경

InGaAs(In0.53Ga0.47As) APD는 광섬유 통신, 원격 탐지, 양자 키 분배 등 단파 적외선(SWIR) 응용 분야의 선도적인 검출기이다. InP와 In0.52Al0.48As는 동일한 격자 간격과 우수한 브레이크다운 특성을 공유하여 InAlAs를 증배층의 자연스러운 선택으로 만든다. 단일 광자 검출, 분해능 분광학, 광학 VLSI 검사, 3D 레이저 거리 측정의 최근 발전이 APD에 대한 관심을 재고시켰다.

선행 연구들은 1550 nm에서 10-30% 검출 효율의 단일 광자 APD를 보고하였으며, 암카운트 생성에서 터널링의 역할을 강조하였다. InP 기반 APD는 광범위하게 모델링되었으나, InAlAs는 더 큰 밴드갭, 더 높은 전자-정공 이온화 비율, 더 낮은 초과 잡음, 향상된 브레이크다운 특성을 제공한다. 그러나 전하층 파라미터, 증배 두께, 터널링 간의 상호작용은 충분히 탐구되지 않았다.

본 연구에서는 1.55 µm에서 동작하는 수직 InGaAs/InAlAs APD에 대한 이론적 프레임워크와 2D 시뮬레이션을 개발하여 이러한 효과를 정량화한다.

방법

포아송 방정식, 공핍층 모델, PN 접합 방정식을 등급층을 생략한 단순화된 SACM 구조에 대해 풀어 전기장 분포를 공식화하였다. 각 층의 전하 밀도는 ρ = qN으로 표현되며, N은 도펀트 농도, ε은 유전 상수이다. 결과적인 전기장 식(식 1-11)은 층 두께, 도핑, 인가 바이어스에 대한 의존성을 포착한다.

유도된 전기장을 사용하여 흡수층 전기장을 50-180 kV/cm로 제한하면서 증배층에서 높은 애벌랜치 전기장을 유지하는 최적 전하층 도핑(N2)과 두께(w2)를 구하였다. 실험 데이터(그림 2)와 비교하여 식 8의 예측 능력을 검증하였다.

그림 3은 300, 500, 700 nm 증배층으로 분석을 확장하여, 더 두꺼운 전하층이 허용 도핑 범위를 좁힘을 보였다. 이는 왜 작은 도핑 변화가 APD 성능에 현저한 영향을 미치는지 설명한다.

터널링 포함

흡수층 전기장이 1.8×10⁵ V/cm를 초과하면 밴드-투-밴드 터널링이 추가 캐리어 생성 항 Gbbt(식 13)를 도입한다. 이 항은 국소 전하 밀도를 변화시켜 증배 영역의 전기장을 수정한다. 식 14-16은 수정된 전기장을 포착하며, 결과적인 애벌랜치 전기장 변화 δE(그림 6)는 터널링이 증배 전기장과 M_n(식 19)을 감소시킴을 보여준다.

시뮬레이션 모델

드리프트-확산, 밴드-투-밴드 터널링, 트랩 보조 터널링, 쇼클리-리드-홀, 오제, 셀버헤르 충격 이온화 모델을 포함한 TCAD 기반 2D 소자 시뮬레이터를 사용하였다. 시뮬레이션 구조(그림 7)는 문헌 13의 실험 소자와 잘 일치하며, 두 가지 형상: APD-1(800 nm 증배, 1800 nm 흡수)과 APD-2(200 nm 증배, 600 nm 흡수)를 가진다.

시뮬레이션과 실험 I-V 곡선 비교(그림 8)는 광전류와 암전류 모두에서 훌륭한 일치를 보여 모델의 정확성을 검증하였다.

결과 및 고찰

전하층 두께의 영향

APD-1(800 nm 증배) 시뮬레이션에서 전하층 두께 증가가 허용 도핑 범위를 좁힘을 확인(그림 9a). 동일한 경향이 APD-2(200 nm 증배, 그림 9b)에서도 나타남. 그림 9c는 해석적 예측(식 8)과 시뮬레이션의 긴밀한 일치를 보여준다.

그림 10a-d는 210 nm 전하층이 도핑 변화에 매우 민감한 반면 50 nm 층은 더 넓은 허용도를 가짐을 보여준다. 결과적으로 얇은 전하층이 견고한 소자 설계에 더 좋은 제어성을 제공한다.

터널링의 전기장 분포 영향

시뮬레이션(그림 12)은 흡수층 전기장이 터널링 임계값을 초과하면 증배 영역의 애벌랜치 전기장이 감소함을 보여준다. 이 거동은 두 APD 형상 모두에서 일관되며, 터널링이 M_n을 감소시킨다는 해석적 예측을 확인한다.

그림 12c,d는 바이어스에 따른 흡수층과 증배층 전기장을 플롯한다. 흡수 전기장이 임계값을 넘으면 증배 전기장이 급격히 떨어지는 것은 브레이크다운에서 흡수 전기장을 1.8×10⁵ V/cm 이하로 유지하는 것이 고성능 APD에 필수적임을 보여준다.

결론

InGaAs/InAlAs SAGCM APD에 대한 포괄적인 이론적 및 시뮬레이션 프레임워크를 확립하였다. 주요 발견은 다음과 같다:

1. 임의의 증배 두께에 대한 최적 전하층 도핑과 두께를 해석적으로 계산 가능; 예측이 실험과 일치.
2. 더 두꺼운 전하층은 도핑 허용도를 급격히 좁히므로, 얇은 전하층이 견고한 소자 설계에 바람직함.
3. 흡수층의 터널링이 애벌랜치 전기장과 증배 계수를 낮춤; 흡수 전기장을 터널링 임계값 이하로 유지하는 것이 고성능 APD에 필수적.

이러한 통찰은 향상된 효율과 낮은 암카운트를 가진 SWIR APD의 더 정밀한 설계를 가능하게 한다.

약어

2D

2차원

APD

애벌랜치 포토다이오드

DCR

암카운트율

SACM APDs

분리 흡수, 전하, 증배 애벌랜치 포토다이오드

SAGCMAPDs

분리 흡수, 등급, 전하, 증배 애벌랜치 포토다이오드

SPAD

단일 광자 애벌랜치 포토다이오드

SPDE

단일 광자 검출 효율

SRH

쇼클리-리드-홀