InGaAs/InAlAs 단일광자 눈사태 포토다이오드의 전기장 분포 최적화

요약

본 연구는 가이거 모드에서 동작하는 InGaAs/InAlAs 눈사태 포토다이오드(APD) 및 단일광자 눈사태 포토다이오드(SPAD)에 대한 엄격한 2차원 TCAD 시뮬레이션을 제시합니다. 전기장 프로파일과 터널링 메커니즘을 분석하여, 증식층 두께가 300nm를 초과하면 전기장이 6.8×10⁵V/cm의 터널링 임계값 이하로 유지됨을 입증했습니다. 최적 도핑된 전하층을 가진 고바이어스 동작은 흡수층의 터널링을 추가로 억제하여 암전류율을 감소시킵니다.

배경

InGaAs/InAlAs 및 InGaAs/InP APD는 단파 적외선(SWIR) 검출을 주도하며, 1550nm에서 단일광자 계수를 가능하게 합니다. 광증배관에 비해 높은 신뢰성, 낮은 바이어스, 소형 폼팩터, 우수한 타이밍 분해능을 제공합니다. 양자 키 분배의 최근 진전은 이들의 배치를 가속화했습니다.

SPAD는 가이거 모드에서 동작하며, 항복 전압 이상의 역바이어스를 인가해 단일광자를 거시적 펄스로 변환하는 눈사태 이득을 얻습니다. InAlAs 물질은 InP보다 높은 전자-정공 충돌 이온화 계수 비율을 제공해 더 낮은 초과 잡음 인자와 더 높은 이득-대역폭 곱을 달성합니다. 더 큰 밴드갭은 터널링을 억제해 암전류율(DCR)을 낮추고 온도 안정성을 개선합니다.

InGaAs/InAlAs APD가 210K에서 최대 26%의 단일광자 검출 효율(SPDE)을 달성했음에도, DCR은 최첨단 InP SPAD의 일반적인 <10⁴Hz보다 높습니다. 과도한 DCR은 높은 전기장에 의한 밴드-밴드 및 트랩 보조 터널링에서 기인합니다. 따라서 전하층 도핑과 증식층 두께를 통한 전기장 분포 최적화는 SPAD 성능에 필수적입니다.

실험 방법

전면 조명 SAGCM InGaAs/InAlAs APD 구조(그림 1)에 대해 2차원 TCAD 시뮬레이션을 수행했습니다. 모델은 젤버헤르 충돌 이온화, 드리프트-확산, 푸아송, 캐리어 연속 방정식과 밴드-밴드 및 트랩 보조 터널링을 포함합니다. 페르미-디랙 통계, 오제 재결합, 쇼클리-리드-홀 재결합, 저전계 이동도, 속도 포화, 레이 트레이싱도 포함했습니다.

기판에서 콘택트 방향으로 에피택셜 스택은 콘택트층, 클래딩층, 증식층, 전하층, 그레이딩층, 흡수층, 그레이딩층, 클래딩층, 콘택트층으로 구성됩니다. InAlAs 그레이딩층은 InGaAs-InAlAs 계면에서 전자 적체를 완화합니다.

전기장 ξ(x)는 푸아송 방정식 $$\frac{d\xi}{dx}=\frac{\rho}{\varepsilon}=\frac{q\,N}{\varepsilon}$$와 바이어스 경계 조건 $$V_{\text{bias}}+V_{\text{bi}}=-\int_{0}^{w}\xi(x,w)\,dx$$를 만족합니다. 밴드-밴드 터널링의 터널링 생성률은 $$G_{\text{btb}}=\sqrt{\frac{2m^{\ast}}{E_g}}\frac{q^2E}{(2\pi)^3\hbar}\exp\!\left(-\frac{\pi}{4q\hbar E}\sqrt{\frac{2m^{\ast}E_g^3}{2}}\right)$$이며, 터널링 전류 밀도는 $$\frac{I_{\text{tunnel}}}{A}=G_{\text{btb}}\,q\,w_{\text{tunnel}}$$입니다.

그림 2에 따르면 터널링은 InGaAs에서 2.0×10⁵V/cm, InAlAs에서 6.9×10⁵V/cm에서 유의미해지며, 문헌 임계값과 일치합니다. 시뮬레이션 파라미터는 표 1에 나열되어 있습니다.

결과 및 논의

가이거 모드에서의 전기장 분포

그림 4와 5는 가이거 바이어스 하에서 증식층과 흡수층의 전압-전기장 특성을 보여줍니다. 50nm 전하층과 100-300nm 증식층에서 흡수층 전기장은 바이어스에 선형적으로 상승하는 반면, 증식층 전기장은 장치가 항복에 접근함에 따라 포화됩니다.

가이거 모드에서 흡수층 전기장은 5×10⁴V/cm을 초과해 캐리어 이동에 충분하면서도 1.8×10⁵V/cm의 터널링 한계 이하로 유지됩니다. 증식층 전기장은 6×10⁵V/cm 이상으로 피크에 도달하므로, 더 두꺼운 증식층은 피크 전기장을 낮추고 터널링을 완화합니다.

설계 고려사항

그림 6은 증식층 두께를 100에서 500nm로 증가시키면 피크 전기장이 터널링 임계값 이하로 떨어지면서 높은 이득을 유지함을 보여줍니다. 따라서 가이거 모드 SPAD에는 300nm 이상의 증식층 두께를 권장합니다.

전하층 도핑 조절도 흡수층 전기장을 형성합니다. 그림 7에 따르면 높은 도핑 농도(≥4.5×10¹⁷cm^-3)는 높은 바이어스에서도 흡수층 전기장을 터널링 한계 이하로 유지하는 반면, 낮은 도핑은 조기에 임계값에 도달합니다. 따라서 전하층 도핑과 증식층 두께의 최적 균형이 필수적입니다.

결론

2차원 시뮬레이션은 300nm 초과 증식층 두께와 고농도 도핑 전하층이 InGaAs/InAlAs SPAD의 가이거 모드 동작 시 터널링 전류를 임계 임계값 이하로 유지함을 확인했습니다. 이러한 설계 규칙은 1550nm 단일광자 검출에서 더 낮은 DCR과 더 높은 SPDE로 직접 이어집니다.

약어

2D

이차원

APD

눈사태 포토다이오드

DCR

암전류율

SAGCMAPDs

분리 흡수, 그레이딩, 전하, 증식 눈사태 포토다이오드

SPAD

단일광자 눈사태 포토다이오드

SPDE

단일광자 검출 효율