雪崩光電探測(cè)器(APD)的現(xiàn)狀及前瞻

        【訊石光通訊咨詢網(wǎng)】1.引言

        光電探測(cè)器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的器件。在半導(dǎo)體光電探測(cè)器中，入射光子激發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進(jìn)入外電路后，形成可測(cè)量的光電流。PIN光電二極管即使在最大的響應(yīng)度下,一個(gè)光子最多也只能產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),是一種無(wú)內(nèi)部增益的器件。為了獲得更大的響應(yīng)度,可以采用雪崩光電二極管(APD)。APD對(duì)光電流的放大作用基于電離碰撞效應(yīng),在一定的條件下,被加速的電子和空穴獲得足夠的能量,能夠與晶格碰撞產(chǎn)生一對(duì)新的電子-空穴對(duì),這種過(guò)程是一種連鎖反應(yīng),從而由光吸收產(chǎn)生的一對(duì)電子-空穴對(duì)可以產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)而形成較大的二次光電流。因此APD具有較高的響應(yīng)度和內(nèi)部增益，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。APD將主要應(yīng)用于長(zhǎng)距離或接收光功率受到其它限制而較小的光纖通信系統(tǒng)。目前很多光器件專家對(duì)APD的前景十分看好，認(rèn)為APD的研究對(duì)于增強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，是十分必要的。

2.雪崩光電探測(cè)器（APD）的技術(shù)發(fā)展

2.1 材料
1)Si

        Si材料技術(shù)是一種成熟技術(shù)，廣泛應(yīng)用于微電子領(lǐng)域，但并不適合制備目前光通信領(lǐng)域普遍接受的1.31mm,1.55mm波長(zhǎng)范圍的器件，如圖1所示[1]。在圖中，同時(shí)給出了Ge、In0.53Ga0.47As和InGaAsP的吸收曲線。

2)Ge

        Ge APD雖然光譜響應(yīng)適合光纖傳輸?shù)蛽p耗、低色散的要求，但在制備工藝中存在很大的困難。而且，Ge的電子和空穴的離化率比率（ ）接近1，因此很難制備出高性能的APD器件。

3)In0.53Ga0.47As/InP

        選擇In0.53Ga0.47As作為APD的光吸收層，InP作為倍增層，是一種比較有效的方法[2]。In0.53Ga0.47As材料的吸收峰值在1.65mm, 在1.31mm,1.55mm 波長(zhǎng)有約為104cm-1高吸收系數(shù)，是目前光探測(cè)器吸收層首選材料。In0.53Ga0.47As光電二極管比起Ge光電二極管，有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）In0.53Ga0.47As是直接帶隙半導(dǎo)體，吸收系數(shù)高；（2）In0.53Ga0.47As介電常數(shù)比Ge小，要得到與Ge光電二極管相同的量子效率和電容，可以減少In0.53Ga0.47As耗盡層的厚度，因此可以預(yù)期In0.53Ga0.47As/InP光二極管具有高的效應(yīng)和響應(yīng)；（3）電子和空穴的離化率比率（ ）不是1，也就是說(shuō)In0.53Ga0.47As/InP APD噪聲較低；（4）In0.53Ga0.47As與InP晶格完全匹配，用MOCVD方法在InP襯底上可以生長(zhǎng)出高質(zhì)量的In0.53Ga0.47As外延層，可以顯著的降低通過(guò)p-n結(jié)的暗電流。（5）In0.53Ga0.47As/InP異質(zhì)結(jié)構(gòu)外延技術(shù)，很容易在吸收區(qū)生長(zhǎng)較高帶隙的窗口層，由此可以消除表面復(fù)合對(duì)量子效率的影響。

4)InGaAsP/InP

        選擇InGaAsP作為光吸收層，InP作為倍增層,可以制備響應(yīng)波長(zhǎng)在1-1.4mm，高量子效率，低暗電流，高雪崩增益得的APD[3]。通過(guò)選擇不同的合金組分，滿足對(duì)特定波長(zhǎng)的最佳性能。

5)InGaAs/InAlAs

        In0.52Al0.48As材料帶隙寬（1.47 eV），在1.55 mm 波長(zhǎng)范圍不吸收，有證據(jù)顯示[4][5]，薄In0.52Al0.48As外延層在純電子注入的條件下，作為倍增層材料，可以獲得比InP更好的增益特性。

6)InGaAs/InGaAs（P）/InAlAs和InGaAs/In（Al）GaAs/InAlAs

        材料的碰撞離化率是影響APD性能的重要因素。研究表明[6]，可以通過(guò)引入InGaAs（P）/InAlAs和 In（Al）GaAs/InAlAs超晶格結(jié)構(gòu)提高倍增層的碰撞離化率，超晶格結(jié)構(gòu)增益示意圖如圖2所示。應(yīng)用超晶格結(jié)構(gòu)這一能帶工程可以人為控制導(dǎo)帶和價(jià)帶值間的非對(duì)稱性帶邊不連續(xù)性，并保證導(dǎo)帶不連續(xù)性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于價(jià)帶不連續(xù)性（ΔEc>>ΔEv）。與InGaAs體材料相比，InGaAs/InAlAs量子阱電子離化率(a)明顯增加，電子和空穴獲得了額外能量，由于ΔEc>>ΔEv，可以預(yù)期電子所獲得的能量使電子離化率的增加量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴能量對(duì)空穴離化率(b)的貢獻(xiàn)，電子離化率與空穴離化率的比率（k）增加。因此，應(yīng)用超晶格結(jié)構(gòu)可以獲得大的增益-帶寬積（GBW）和低噪聲性能。然而，這種可以使k值增加的InGaAs/InAlAs量子阱結(jié)構(gòu)APD很難應(yīng)用在光接收機(jī)上。這是因?yàn)橛绊懽畲箜憫?yīng)度的倍增因子受限于暗電流，而不是倍增噪聲[7]。在此結(jié)構(gòu)中，暗電流主要是由窄帶隙的InGaAs阱層的隧道效應(yīng)引起[8]，因此，引入寬帶隙的四元合金，比如InGaAsP或InAlGaAs,代替InGaAs作為量子阱結(jié)構(gòu)的阱層可以抑制暗電流。

        以InAlGaAs和 InAlGaAs/InAlAs為倍增層的 APD離化系數(shù)比率k隨電場(chǎng)的變化。在相同的電場(chǎng)下，超晶格結(jié)構(gòu)可以大大提高k,表明超晶格結(jié)構(gòu) 的器件具有更大的信噪比。研究表明[9]，InAlGaAs/InAlAs量子阱結(jié)構(gòu)的平均能隙為1.32 eV, InAlGaAs和InAlAs的帶隙值分別為1.13 eV和1.47 eV,量子阱結(jié)構(gòu)的能隙值介于InAlGaAs和InAlAs的帶隙值之間。量子阱結(jié)構(gòu)的空穴離化率近似等于InAlGaAs和InAlAs空穴離化率的平均值，因此InAlGaAs/InAlAs結(jié)構(gòu)的空穴離化率可以用帶隙差來(lái)很好的解釋。然而對(duì)于電子離化率來(lái)說(shuō)，量子阱結(jié)構(gòu)比InAlGaAs和InAlAs的值都大。這種差異表明電子碰撞離化率的增加是由于大的導(dǎo)帶差（ΔEc）引起的。在InGaAsP/InAlAs 異質(zhì)結(jié)中，這種大的導(dǎo)帶差更為明顯，而價(jià)帶的差異通過(guò)P的引入幾乎消失，預(yù)期InGaAsP/InAlAs APD具有更大的電子碰撞離化率[6]。

2.2 APD的芯片結(jié)構(gòu)

        合理的芯片結(jié)構(gòu)是高性能器件的基本保證。APD結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮RC時(shí)間常數(shù),在異質(zhì)結(jié)界面的空穴俘獲,載流子通過(guò)耗盡區(qū)的渡越時(shí)間等因素。下面對(duì)其結(jié)構(gòu)的發(fā)展作一綜述：

1）基本結(jié)構(gòu)

        最簡(jiǎn)單的APD結(jié)構(gòu)是在PIN光電二極管的基礎(chǔ)上，對(duì)P區(qū)和N區(qū)都進(jìn)行了重?fù)诫s，在鄰近P區(qū)或N區(qū)引進(jìn)n型或p型倍憎區(qū)，以產(chǎn)生二次電子和空穴對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)一次光電流的放大作用。對(duì)于InP 系列材料來(lái)說(shuō)，由于空穴碰撞電離系數(shù)大于電子碰撞電離系數(shù)，通常將N型摻雜的增益區(qū)置于P區(qū)的位置。在理想情況下，只有空穴注入到增益區(qū)，所以稱這種結(jié)構(gòu)為空穴注入型結(jié)構(gòu)。

2）吸收和增益區(qū)分開

        由于InP寬帶隙特性（InP為1.35eV, InGaAs為0.75eV），通常以InP為增益區(qū)材料，InGaAs為吸收區(qū)材料。

3）分別吸收、漸變、增益（SAGM）結(jié)構(gòu)的提出

        目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料，InGaAs作為吸收層，InP在較高電場(chǎng)下(>5x105V/cm)下而不被擊穿，可以作為增益區(qū)材料。對(duì)于該材料， 所以這種APD的設(shè)計(jì)是雪崩過(guò)程由空穴碰撞而在n型InP中形成。考慮到InP和InGaAs的帶隙差別較大,價(jià)帶上大約0.4eV的能級(jí)差使得在InGaAs吸收層中產(chǎn)生的空穴，在達(dá)到InP倍增層之前在異質(zhì)結(jié)邊緣受到阻礙而速度大大減少，從而這種 APD的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，帶寬很窄。這個(gè)問(wèn)題可以在兩種材料之間加InGaAsP過(guò)渡層而得到解決。

4）分別吸收、漸變、電荷和增益（SAGCM）結(jié)構(gòu)的提出

        為了進(jìn)一步調(diào)節(jié)吸收層和增益層的電場(chǎng)分布，在器件設(shè)計(jì)中引入了電荷層，這種改進(jìn)大大的提高了器件速率和響應(yīng)度。

5）諧振腔增強(qiáng)型 (RCE) SAGCM結(jié)構(gòu)

        在以上傳統(tǒng)探測(cè)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，必須面臨這樣一個(gè)事實(shí)：即吸收層的厚度對(duì)器件速率和量子效率是一個(gè)矛盾的因素。薄的吸收層厚度可以減少載流子渡越時(shí)間，因此可以獲得大的帶寬；然而，同時(shí)為了得到更高的量子效率，需要吸收層具有足夠的厚度。解決這個(gè)問(wèn)題可以采用諧振腔（RCE）結(jié)構(gòu)，即在器件的底部和頂部設(shè)計(jì)DBR (distributed Bragg Reflector)。這種DBR反射鏡在結(jié)構(gòu)上包括低折射率和高折射率的兩種材料，二者交替生長(zhǎng)，各層厚度滿足在半導(dǎo)體中入射光波長(zhǎng)的1/4。這種諧振腔結(jié)構(gòu)的探測(cè)器在滿足速率要求的前提下，吸收層厚度可以做得很薄，而且電子在經(jīng)過(guò)多次反射后，量子效率增加。

        由于GaAs/AlAs諧振腔工藝的成熟，目前這種結(jié)構(gòu)的器件以GaAs/AlGaAs材料為最多，增益-帶寬積300GHz以上。InP/InGaAs諧振腔由于InP和InGaAs兩種材料折射率差較小，使得工藝變得復(fù)雜，因此以InP為基材料的諧振腔增強(qiáng)型探測(cè)器實(shí)用化的很少。當(dāng)然可以利用鍵合技術(shù)，應(yīng)用GaAs/AlAs的成熟工藝，制備以InP為基材料的諧振腔增強(qiáng)型探測(cè)器。近年來(lái)又出現(xiàn)了以InAlGaAs/InAlAs或者InGaAs(P)/InAlAs材料的DBR,其波長(zhǎng)位于我們感興趣的波長(zhǎng)范圍，受到研究和開發(fā)人員的廣泛關(guān)注[10]。圖4給出了共振腔增強(qiáng)型InGaAs/InAlAs SACM APD結(jié)構(gòu)示意圖。用MBE(分子束外延)生長(zhǎng)的器件結(jié)構(gòu)包括半絕緣的InP襯底，DBR反射鏡（30對(duì)各層厚度為λ/4的InGaAs/InAlAs），未摻雜的InAlAs倍增層，P型摻雜的InAlAs電荷層，電荷層的作用是確保60 nm厚的InAlAs吸收層的電場(chǎng)不高于105 V/cm,保證器件高速率特性。最后生長(zhǎng)的是未摻雜的InAlAs空間層和P+-InAlAs頂層，其厚度都進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)以確保器件在特定波長(zhǎng)都具有最高的響應(yīng)度。

        這種結(jié)構(gòu)的器件可以獲得小于10 nA的低暗電流，在單位增益的條件下，可以獲得70%的峰值量子效率。噪聲測(cè)量表明該器件具有非常低的噪聲特性（k~0.18）,這個(gè)值比以InP為基材料的APD高很多[11]，顯示了InAlAs系列材料在低噪聲器件方面的巨大潛力。

6）邊耦合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) (WG-APD)

        另一種解決吸收層厚度對(duì)器件速率和量子效率不同影響的矛盾的方案是引入邊耦合波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)從側(cè)面進(jìn)光，因?yàn)槲諏雍荛L(zhǎng)，容易獲得高量子效率，同時(shí)，吸收層可以做得很薄，降低載流子得渡越時(shí)間。因此，這種結(jié)構(gòu)解決了帶寬和效率對(duì)吸收層厚度的不同依賴關(guān)系，有望實(shí)現(xiàn)高速率，高量子效率的APD。WG-APD在工藝上較RCE APD簡(jiǎn)單，省去了DBR反射鏡的復(fù)雜制備工藝。因此，在實(shí)用化領(lǐng)域更具有可行性，適用于共平面光連接。

        InGaAs/InAlAs SACM WG-APD結(jié)構(gòu)示意圖[12]。該器件是用MOCVD方法，在S-摻雜的（100）InP襯底上，生長(zhǎng)100 nm N型InP過(guò)渡層，再生長(zhǎng)一層N-型InAlAs層。150nm的倍增層是采用非故意摻雜的InAlAs材料。Zn摻雜濃度為2.1×1017 cm-3 的180 nm電荷層的作用是調(diào)整電場(chǎng)在吸收層和倍增層的分配，吸收層上下兩側(cè)各生長(zhǎng)100 nm非故意摻雜的InAlGaAs波導(dǎo)層。這種結(jié)構(gòu)的器件可以實(shí)現(xiàn)320 GHz的增益-帶寬積和極低的噪聲特性（k=0.15）,充分表現(xiàn)了其在高速率和長(zhǎng)距離光通信領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

        WG-APD的主要問(wèn)題是薄的吸收層厚度減少了光耦合效率，而且，由于切片工藝和在進(jìn)光面抗反膜的影響，使這種結(jié)構(gòu)的器件可$&*性變差。這些問(wèn)題可以通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)而逐步解決。

3.結(jié)論

        綜述了雪崩光電探測(cè)器材料和器件的發(fā)展過(guò)程。InP材料電子和空穴碰撞離化率與InAlAs相比比較接近，導(dǎo)致了兩種載流子對(duì)稱的倍增過(guò)程，使雪崩建立時(shí)間變長(zhǎng)，噪聲增加。與單純的InAlAs材料相比，InGaAs（P）/InAlAs和In（Al）GaAs/InAlAs量子阱結(jié)構(gòu)碰撞離化系數(shù)的比率增加，因此可以大大改變?cè)肼曅阅堋Ｔ诮Y(jié)構(gòu)上，為了解決吸收層厚度對(duì)器件速率和量子效率不同影響的矛盾，發(fā)展了諧振腔增強(qiáng)型 (RCE) SAGCM結(jié)構(gòu)和邊耦合的波導(dǎo)結(jié)構(gòu) (WG-APD)，這兩種結(jié)構(gòu)由于工藝的復(fù)雜性，完全實(shí)用化還需要進(jìn)一步探索。