摘要
本文研究了吸收倍增分离型雪崩光电探测器（Separate Absorption Charge Multiplication Avalanche Photodetectors，SACM APD）的穿通特性，基于器件的光谱响应、电容特性以及不同工作温度下的I-V特性，结合SILVACO仿真平台计算得到的器件内部电场和能带分布，分析了SACM APD穿通前后器件性能并建立相应的数学模型。设计优化硅基SACM APD器件结构参数和工艺参数，当场控层离子注入能量为580KeV时，仿真得到，优化结构器件的穿通阈值电压为-30 V，电容降低至穿通前的1/3。基于（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）工艺制备了硅SACM APD器件，测试得到器件的穿通阈值电压为-30 V，穿通时光电流升高至原来的2.18倍@808 nm，响应峰值波长由穿通前的590 nm红移至穿通后的820 nm，峰值响应度由0.171 A/W@590 nm升高至0.377 A/W@820 nm，电容降低为穿通前的1/3@1 MHz。
雪崩光电二极管（Avalanche Photodetectors，APD）通过雪崩倍增效应获得内部光电流增益，提高探测器灵敏度，是高灵敏度光接收系统中的核心半导体器
吸收倍增分离型结构在高速、高倍增、低工作电压、高可靠性等方面有着巨大优势。 InGaAs/InP的吸收倍增分离型APD在0.9倍击穿电压时实现了5.5 A/W@1310 nm的高响应度和21 GHz的高带
本文基于硅SACM结构雪崩光电探测器，分析器件在穿通前后关键性能变化，研究穿通现象对器件的影响规律并建立相应模型。通过测试器件暗电流、光响应、电容等特性，并结合高低温测试研究穿通电压附近暗电流与工作温度之间的关系，分析穿通前后器件内部电场分布及载流子输运行为，并建立相应的物理和数学模型。制备的器件在常温下的暗电流密度为0.1872 mA/c
优化设计的SACM APD如
（a）
（b）
图1 器件结构示意图:（a）SACM APD结构剖视图；（b）器件SEM图
Fig. 1 Schematic diagram of device structure: (a) Schematic of cross-section of the fabricated SACM APD; (b) SEM image of 50μm SACM APD
基于SILVACO仿真平台对硅SACM APD的结构参数和工艺参数进行仿真设计，利用仿真平台的Atlas模块计算得到器件内部的电场和能带分布及I-V特性，如
（a）
（b）
（c）
（d）
（e）
图2 器件结构仿真示意图：（a）不同反向偏压下，器件内部电场仿真图，插图显示了场控层和吸收层界面的反向电场；（b）SACM APD的仿真I-V特性和倍增系数；（c）器件穿通前能带示意图；（d）穿通后能带示意图；（e）离子注入能量为580 KeV时器件掺杂浓度示意图
Fig. 2 Schematic diagram of device structure simulation： (a) electric field distribution of the SACM APD at different reverse biases. The inset shows the feedback electric field at the interface between electric field control layer and light absorbing layer; (b) simulated I-V characteristics and multiplication factor of the SACM APD; (c) energy band diagrams before punch-through; (d) energy band diagrams after punch-through; (e) the cross-sectional doping concentration distribution of the SACM APD, when the ion implantation energy is 580 KeV
在室温（25 °C）下使用Keithley 4200半导体分析仪对器件的电学性能进行测试，利用屏蔽罩实现全暗的测试环境，利用激光器与光纤实现不同光波长下的光电流测试。半径100 μm的SACM APD暗电流曲线及808 nm波长下的I-V特性和倍增系数如
| , | （1） |
（a）
（b）
（c）
图 3 SACM APD的I-V特性及不同尺寸暗电流特性。（a）100 μm SACM APD的I-V特性和倍增系数；（b）光敏面半径为20 μm、50 μm、100 μm、200 μm器件的暗电流曲线；（c）-30 V偏压下暗电流与光敏面半径的关系，红线是根据公式（1）的拟合曲线
Fig. 3 I-V characteristics of SACM APD and dark current characteristics of SACM APD with different sizes. (a) I-V characteristics and multiplication factor of 100 μm SACM APD; (b) dark current of devices with a radius of 20 μm,50 μm,100 μm,200 μm versus voltage; (c) relationships between the dark current and the photosensitive area radius at -30 V, the red line is the fitting curve according to Eq. (1)
| , | （2） |
Wavelength λ/nm | Photocurrent before punch-through Ibefore /μA | Photocurrent after punch-through Iafter /μA | Iafter/Ibefore | Absorption coefficient α /c |
|---|---|---|---|---|
| 405 | 0.79 | 0.86 | 1.08 | 95000 |
| 505 | 0.63 | 1.04 | 1.65 | 11000 |
| 635 | 21.83 | 41.87 | 1.92 | 3200 |
| 808 | 6.31 | 13.77 | 2.18 | 775 |
| 850 | 134.83 | 212.77 | 1.58 | 535 |
| 1064 | 0.10 | 0.18 | 1.80 | 11 |
（a）
（b）
图4 SACM APD的I-V 光电流特性及光谱响应。（a）100 μm SACM APD在不同波长下的I-V 光电流；（b） 100 μm SACM APD在不同偏压下的光谱响应
Fig. 4 I-V characteristics and spectral response of SACM APD. (a) I-V characteristics of 100 μm SACM APD with different input light wavelengths; (b) spectral response of 100 μm SACM APD at different reverse biases.
（a）
（b）
（c）
图5 SACM APD的C-V特性。（a）不同频率下100 μm SACM APD的C-V特性；（b）1MHz下不同光敏面半径SACM APD的C-V特性（虚线为半径100 μm器件在1MHz频率下电容仿真曲线）；（c）不同尺寸器件在0 V、-20 V、-30 V偏压下的电容值及电容与器件光敏面面积拟合关系
Fig.5 C-V characteristics of SACM APD. (a) C-V characteristics of 100μm SACM APD at 100 KHz,200 KHz,500 KHz,1 MHz,5 MHz, respectively; (b) C-V characteristics of devices with a radius of 20 μm,50 μm,100 μm,200 μm at 1 MHz (dashed line represents the simulation result for devices with a radius of 100μm at 1 MHz) ;(c) relationships between the capacitance values and the devices area with reverse bias voltages of 0 V, -20 V, -30 V.
如
（a）
（b）
图6 SACM APD的温度特性：（a）不同温度下200 μm SACM APD的暗电流特性；（b）-20 V和-30 V偏压下器件暗电流随温度的变化关系
Fig.6 Temperature characteristics of SACM APD： (a) dark current of 200 μm SACM APD versus voltage at different temperatures; (b) the relationship between dark current and temperature at -20 V and -30 V
基于半导体器件参数分析仪和与温控仪组成的探针台测试系统，对器件进行低温暗电流测试，得到80 ~300 K下半径200 μm的SACM APD器件的暗电流特性。测试结果如
本文研究了硅SACM APD器件的穿通现象对器件暗电流、光谱响应、电容以及温度响应的影响。基于硅基本征外延片，并结合CMOS工艺，制备了不同尺寸的雪崩光电探测器，测试了器件常温下的I-V特性、光谱响应和电容特性，以及80 ~300 K温度范围内的暗电流特性，对比分析了器件穿通前后性能差异。制备的器件在常温下的暗电流密度为0.187 2 mA/c
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