InGaAsInP单光子雪崩光电二级管的制备及研究.doc

InGaAs/InP单光子雪崩光电二级管的制备及研究基于快速发展的量子通信等技术对近红外单光子探测的需求，本论文主要针对吸收、渐变、电荷控制、倍增分离（SAGCM）结构InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行了相关研究，通过优化器件的工艺，制备出InGaAs/InPAPD器件，并对测量所出现的相关问题进行了理论模拟分析。具体内容如下：1、采用TCAD软件模拟了电荷层、倍增层和保护环的结构参数对APD的影响。其中，电荷控制层的电荷面密度增加会使得APD的击穿电压线性线性减小（变化率40V/1E12cm-2），而贯穿电压线性上升（变化率4V/1E12cm-2），电荷层的影响主要是通过调节SAGCMAPD中吸收层和倍增层之间的电场来影响击穿电压和贯穿电压的。倍增层厚度的增加，会使得贯穿电压线性上升，而击穿电压出现先急速减小后缓慢增加的形态，这一原因是由倍增层厚度对电场调节和碰撞电离影响共同作用造成的。而保护环结构会对抑制器件的边缘尖峰电场。器件的结构参数是器件设计的基础。2、通过SCM、SIMS、ECV等手段研究了闭馆扩散Zn形成InP的p型掺杂。研究表明，扩散掺杂的空穴浓度要小于Zn原子的浓度，并且在InP表面会出现Zn原子的堆积；这一堆积层会影响p型InP的欧姆电极接触和增加接触电阻，去除扩散InP表面的Zn堆积层可以更好的形成欧姆接触，并且甚至可以免去后续电极退火工艺。对于500℃的扩散，450℃、1min以上的快速热退火会影响扩散深度。3、成功制备出具有单光子探测性能的SAGCMInGaAs/InPAPD器件。室温下，器件的击穿电压在30V和50~60V范围不等，相应击穿电压0.95Vb处的暗电流在0.5nA和10nA范围之间。利用电容平衡门脉冲模式测试了APD的单光子性能，当脉冲频率为1.5MHz时，暗计数为3.6E-4/nspulse，当脉冲频率为5MHz时，暗计数为3.5E-4/nspulse。（相应的门脉冲宽度为4ns）。4、理论分析了SAGCMInGaAs/InP中各材料层的载流子寿命对APD暗电流的影响。结果表明，器件的暗电流主要由吸收层的热产生复合电流和倍增层的隧穿电流主导，而吸收层的热产生复合电流对器件的影响发生在贯穿电压之后。通过模拟，我们提取出实验APD中InGaAs吸收层和InP倍增层中的少子寿命大约为100ns和20ps。由于InGaAs的少子寿命偏低，使得吸收层中的热产生复合电流完全主导了APD的暗电流，并表现出在器件暗电流在贯穿电压处大幅上升，其幅度大约为一个数量级，这极大地限制了APD的性能。5、研究了表面电荷对APD器件暗电流的影响。表面电荷主要由InP表面的缺陷和SiNx层中的热载流子共同组成。这一表面电荷会使得APD的暗电流增加，并且该表面电荷漏电会部分参与倍增，影响APD盖格模式下的性能。我们提出了表面电荷漏电模型来解释这一漏电的形成原因，并且指出保护环结构可以在一定程度上抑制这一表面电荷漏电流，减小漏电流中参与倍增的成分。同时在理论上，我们也采用这一模型解释了实验APD暗电流在低偏压下所出现的负温度相关特性。6、提出了一种新型的金属-绝缘介质-金属（MIM）耦合汇聚光栅APD器件结构。通过MIM对光的汇聚作用，可以在保证APD光量子效率的情况下，通过减小APD器件的尺寸来减小其暗电流，这一方法可以将APD的尺寸做到极致（直径小于5微米）。作为前期的研究，我们模拟了MIM光栅的光汇聚特性，结果表明，该光栅的光汇聚可以高达7倍。另外，我们也对该亚微米光栅的制备工艺和MIM光栅工艺与APD工艺的整合进行了相关的探索。