IEDM2024 | 光俘获InGaAs雪崩光电二极管及其在SOI平台上的集成技术

逍遥设计自动化

引言
InGaAs基雪崩光电二极管（APD）因具有高灵敏度、体积小巧和适度的工作要求，在激光雷达、量子信息和生物成像等短波红外领域的应用中备受关注。通过在APD中引入光俘获（PT）结构，实现了光电探测技术的重大突破。这种创新设计显著提高了器件性能，同时避免了传统设计中的性能折衷[1]。

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. z' c$ Q7 u, o3 I首先，让我们了解这种突破性器件的基本结构和主要技术特点。

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图1：三维示意图展示了在SOI上异质集成的InGaAs/InAlAs光俘获雪崩光电二极管，突出显示了先进行刻蚀后进行键合的光俘获结构。
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为了更好地理解这种新设计的优势，需要将其与传统方法进行对比。
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, l, k' D% ]) E, R; W图2：传统APD与具有光俘获结构的APD的对比图，展示了如何通过光操控在薄吸收层中增强吸收，同时保持低暗电流。

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5 {" C5 e& C0 }4 u器件结构与工作原理
' C) L# t; X6 w0 e/ v  G# q光俘获APD采用了先进的材料工程和结构设计。器件使用分离吸收-渐变-电荷-倍增（SAGCM）层结构，结合了InGaAs和InAlAs材料。创新的核心在于采用了具有矩形晶格图案的二维光子晶体（2D PCs）。

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图3：单元结构的横截面视图，显示了在SOI衬底上的光俘获APD的设计参数，包括刻蚀深度（h）、横向刻蚀距离（D）和光子晶体底部圆形基座的半径（r）。

8 Q/ O4 S1 H2 J, o: `6 P该器件的工作原理依赖于结构内部复杂的光操控。当光进入器件时，二维光子晶体引起衍射和反射，有效地将光束限制在吸收层内。这种被限制的光具有更高的被吸收概率，从而显著提高量子效率。
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% n+ B7 x, z4 l/ v" G* k" r* K( J图4：在大反向偏置下PTAPD单元的二维电场分布图，展示了通过PT结构的适当工程设计如何确保在InGaAs吸收层中不存在大的电场峰值。
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1 y' c0 U4 S0 D0 a器件制造与集成工艺
5 D: A4 Y% t2 n4 m* M) R5 F, W这些器件的制造涉及精确的工序步骤，将先进的生长技术与谨慎的集成工艺相结合。

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' C7 W& R* L% H  d图5：关键制造步骤展示，从PT结构形成到金属接触形成、SU-8键合、InP衬底去除、台面形成和最终电极形成的工艺流程。
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工艺始于使用分子束外延（MBE）在InP衬底上生长III-V外延层。关键的光俘获结构通过电子束光刻和精确控制的干法刻蚀制成。在SOI平台上的集成涉及仔细的键合程序和随后的原始衬底去除。

通过详细的显微镜观察和表征结果证实了该制造工艺的成功。
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图6：综合成像结果显示（a）带有SU-8钝化的PTAPD的顶视显微镜图像，（b）2D PCs的顶视SEM图，（c）SOI上PTAPD的截面SEM图，（d）PCs的放大SEM图，以及（e）SU-8和p-InGaAs界面的放大SEM图。
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- E) C: @  I: E' Z) E2 x性能特征与测量结果
/ `  i' `6 t8 v: V2 n该器件在多个参数方面展现出卓越的性能。电流-电压（I-V）特性显示了器件对不同光强的优异响应。

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图7：APDs的I-V特性，分别显示在1550 nm无PT结构和在1626 nm有PT结构时的性能，展示了对从-49.9 dBm到-19.9 dBm光强范围的响应。
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在响应度方面取得了显著成就，在宽波长范围内均有提升。

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9 W# e% h/ I2 U) y. c% C' p6 ]( ^图8：图示展示了响应度和外量子效率（EQE）随波长的变化，在λ = 1626 nm时达到最大值0.75 A/W和57.2%的EQE。

% _3 [, l/ B: C1 w$ o7 E  k还对器件的温度依赖性进行了细致表征，表明在不同工作温度下均具有稳定的性能。

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图9：具有和不具有PT结构的APDs的温度相关I-V特性，展示了在不同温度下的性能稳定性。

这项光电探测器技术的突破实现了高性能集成光电器件。光俘获结构与传统APD结构的成功集成为需要高灵敏度和高效率的短波红外应用提供了新的技术方案。该技术证明了可以在避免传统设计折衷的情况下实现更优异的性能指标。
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& `9 a" E9 c7 w3 `( _; G参考文献
[1] R. Shao, J. Zhang, K. H. Tan, S. Wicaksono, H. Xu, Y. Chen, X. Chen, Y. Wang, C. Sun, Q. Kong, X. Fong, and X. Gong, "First Photon-Trapping InGaAs Avalanche Photodiode and Its Integration on the SOI Platform," in IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.
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