InGaAs/Si键合界面a-Si键合层厚度对InGaAs/Si雪崩光电二极管性能的影响

佘实现，张烨，黄志伟，周锦荣，柯少颖

（闽南师范大学物理与信息工程学院，福建漳州363000）

0 引言

雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）是一种常见的微弱光探测器件，常用于量子通信［1-2］、激光雷达［3-4］、深空探测［5-6］等高灵敏度光探测领域。与传统的PIN 光电探测器相比，APD 倍增区可以在高电场下发生连续碰撞电离，从而实现极高的增益（响应度），其性能主要取决于光的吸收和载流子的倍增。在过去十几年中，以In0.53Ga0.47As（下文简称InGaAs）为吸收区，InP 为倍增区的吸收-渐变-电荷-倍增分离结构的InGaAs/InP APD［7-9］由于具备精确调制吸收区和倍增区中的电场而成为主流的研究方向之一。其次，InGaAs 与InP 晶格匹配，因此InP 上可以外延出晶体质量极高的InGaAs 材料。再者，InGaAs 吸收材料在近红外通信波段（1 310 nm 和1 550 nm）具备极高的吸收系数，因此该器件常被用于远距离传输系统和城域中继网络［10-12］。

众所周知，高性能APD 的实现不仅需要高的吸收，而且需要超快的雪崩倍增建立速度，同时具备极低的雪崩倍增噪声，而评价雪崩倍增噪声的关键指标是电子空穴电离系数比（k值），k值越小表明单类型载流子在倍增区的碰撞电离越凸显，APD 可以实现越小的噪声。虽然InGaAs 在近红外波段吸收效率高，然而外延InP 倍增材料不仅存在高密度深能级缺陷，而且k值高达0.3～0.5［13-14］，因此InGaAs/InP APD 的噪声极大、带宽受到限制，特别对于单光子探测而言，InP 倍增层中的深能级缺陷会导致器件后脉冲效应加剧，使得器件暗计数率上升。虽然近期有科研人员采用InAlAs代替InP 作为器件倍增层使得器件的带宽得到极大的提高，然而InAlAs的k值仍然高达0.15～0.3［15-16］，无法从根本上降低器件噪声，这使得InP 基器件极难应用于近室温微弱光探测。

为进一步改善器件的噪声特性，将Ⅲ-Ⅴ族材料与Ⅳ族材料异族结合成为热门的研究方向［17-19］，Ⅳ族Si材料k 值低至0.02［20］，因此Si 材料被认为是最理想的雪崩倍增材料，且单元素Si 材料中的缺陷密度相比于化合物半导体来说要小得多，更重要的是Si 基APD 具备极低的温度灵敏度［21］，能适用于不同温度场合的高性能探测。然而，Si 与InGaAs 之间仍存在7.7%的晶格失配，因此在Si 上外延的InGaAs 薄膜中存在高密度的穿透位错（109～1010cm-2［22］）。HAWKINS A R 等［23］率先采用高温下直接键合的方法将InGaAs 与Si 材料异族键合，并以InGaAs 为吸收区，Si 为倍增区实现InGaAs/Si APD 的制备，然而由于直接键合中InGaAs 与Si是直接接触在一起，键合界面失配位错成核导致InGaAs 中形成高密度位错，使得器件暗电流变大。虽然后续该课题组将键合温度降低至300°C 并实现气泡的消除［24］，然而键合界面晶格失配问题仍没能得到解决。

为彻底消除InGaAs/Si 晶格失配对位错成核的影响，在键合界面引入非晶半导体键合层（如a-Si、a-Ge）是理想的选择，非晶半导体由于没有晶格，因此与单晶InGaAs 之间不存在晶格失配，失配位错成核的源头被彻底根除。其次，非晶半导体键合不仅可以消除晶格失配的影响，而且可以保证薄膜材料的光电特性，更重要的是相比于绝缘氧化物和胶质键合层［25-27］来说，非晶半导体材料可以实现能带连续，确保载流子在键合界面的电学输运特性。然而，无晶向的非晶半导体面临缺陷密度高、与键合材料带隙不匹配等问题，国际上关于非晶半导体键合层对高压APD 器件性能的影响鲜有报道。本文理论研究了InGaAs/Si键合界面a-Si键合层厚度对InGaAs/Si APD 光电流、暗电流、碰撞电离率、增益、3 dB 带宽等性能的影响，分析键合器件性能影响因素，为实现高性能的InGaAs/Si APD 的制备提供理论指导。

1 模型与参数设计

本文基于泊松方程［28］（式（1））、载流子输运模型［29］（式（2）～（5））、键合界面非局域隧穿模型［30］（式（6）～（8））、碰撞电离模型［31］（式（9）和（10））、键合界面隧穿WKB 近似［32］（式（11））、a-Si 缺陷模型等理论［33］对InGaAs/Si APD 器件性能进行理论计算。本理论模拟的计算流程为：1）器件结构设置；2）有限元网格划分；3）设置不同网格区域的材料及电极参数；4）重点对键合界面a-Si附近的隧穿模型进行设置，定义了一个包含a-Si的非局域隧穿区域实现载流子传输；5）设置各层的掺杂浓度和材料基本参数；6）设置模型及计算方法。泊松方程表示为

式中，ε表示静电常数，ψ表示静电势能，ρ表示电荷的体密度。

载流子输运模型表示为

式中，n和p为电子和空穴浓度，Jn和Jp为电子和空穴电流密度，Gn和Gp均表示载流子的产生率，Rn和Rp均表示载流子的复合率。

式中，q为单位电荷，μn和μp为电子和空穴迁移率，ϕn和ϕp为电子和空穴的准费米能级。对于直接带隙半导体材料，隧穿电流为

式中，my和mz为状态密度有效质量，EFr和EFl为势垒边缘准费米能级。对于间接带隙半导体材料，隧穿电流为

式中，mt为横向有效质量，ml为纵向有效质量，mlh和mhh为轻空穴和重空穴有效质量。

式中，αn和αp分别为电子和空穴的碰撞电离率，E为电场，其余参数均为设置参数。

式中，k为势垒内的电子波矢量，d为势垒宽度。

键合InGaAs/Si APD 器件结构如图1所示。本文模拟的键合InGaAs/Si APD 的制备流程：将InP 上外延的高质量InGaAs 吸收层与Si上外延的高质量Si倍增层采用磁控溅射的超薄a-Si键合层进行异族集成，实现共价键合，键合后采用选择性湿法腐蚀技术将InP 衬底去除，从而获得分离-吸收-电荷-倍增APD 结构。n型重掺杂Si衬底（1×1019cm-3）；Si倍增层厚度为0.5 μm；Si电荷调制层厚度为0.1 μm、掺杂浓度为2×1017cm-3；为缓冲InGaAs/Si键合界面导带带阶，我们在InGaAs/Si 界面引入一层InGaAs 渐变层，渐变层厚度为0.08 μm，Ga 组分从0.47 渐变到0.85；InGaAs 吸收层厚度为0.8 μm，P+-InGaAs 电极接触层厚度为0.1 μm、掺杂浓度为1×1019cm-3；a-Si键合层厚度从0.5 nm 变化到1.7 nm。模型材料具体参数如表1所示。

图1 键合InGaAs/Si APD 器件结构图Fig.1 Device structure of bonded InGaAs/Si APD

表1 InGaAs/Si APD 模型材料参数Table 1 Material parameters of InGaAs/Si APD

续表

2 结果与讨论

首先，模拟a-Si键合层厚度（da）对InGaAs/Si APD 暗电流的影响，如图2（a）所示。从图中可以看出，随着da的增加，器件暗电流在偏压较小时变化不大，但当偏压接近或大于雪崩电压时候，暗电流大幅下降。值得注意的是，从图2（a）中的插图可以看出，当da从0.5 nm 增至1.0 nm 时，暗电流下降趋势最为明显。其次，在1 550 nm 光照下（-20 dBm）模拟了器件光电流随da的变化，如图2（b）所示。从图中可以看出，随着da的增加，光电流呈下降趋势，当da从0.5 nm 增加到1.7 nm 时，光电流从10-3A 降低至10-4A，呈现数量级的变化。值得注意的是，从图2（c）中可以看出，光电流和暗电流曲线在雪崩后并未重合在一起，而是出现了光暗电流间隙，电流间隙宽度约为一个数量级的电流，这是目前已报道的采用外延制备的APD 中所没有的特性（外延APD 在雪崩后光暗电流相互交叠）。这表明采用a-Si键合层实现的InGaAs/Si APD 可以将器件噪声降低至少一个数量级，这对于实现超低噪声单光子探测来说具有重要参考价值。

图2 APD I-V 曲线随da的变化Fig.2 I-V curves of the APDs as a function of da

为解释光暗电流异常变化原因，模拟了APD 复合率随da的变化，如图3所示。从图3（a）可以看出，随着da的增加，Si 雪崩层与Si 衬底层复合率都呈现下降趋势，从而导致APD 暗电流下降，且当da由0.5 nm 增至1.0 nm 时，变化趋势最明显。从图中还可以看出，键合界面的复合率比吸收区和倍增区大，键合界面a-Si键合层内的复合率放大图如图3（b）所示，从图中可以看出，随着da的增加，a-Si键合层内复合率呈上升趋势，且a-Si键合层中间位置复合率最大。

图3 APD 复合率随da的变化Fig.3 Recombination rate of the APD as a function of da

为解释键合界面复合率变化的原因，模拟APD 中载流子浓度随da的变化，如图4（a）和4（b）所示。从图中可以看出，随着da的增加，电子浓度与空穴浓度在Si 倍增层内都呈下降趋势，空穴浓度在Si 衬底呈现下降趋势，导致倍增层和衬底中复合率随da的增加而下降。从图4（a）和4（b）中的插图可以看出，随着da的增加，电子浓度在键合层内呈现下降趋势，而空穴浓度在键合层内呈现上升趋势。可以得出，a-Si键合层空穴浓度的增加导致键合层复合率的上升。值得注意的是，随着da的增加，InGaAs/a-Si 界面空穴浓度呈现下降趋势，而a-Si/Si 界面空穴浓度呈现上升趋势。从图4（c）电荷浓度分布图也可以看出，随着da的增加，电荷浓度在a-Si/Si 界面呈上升趋势，表明电荷在a-Si/Si 界面发生严重堆积。

图4 载流子浓度和电荷浓度随da的变化Fig.4 Carrier concentration and charge concentration as a function of da

为解释InGaAs/Si键合界面载流子浓度的变化，模拟InGaAs/Si APD 价带和导带随da的变化，如图5（a）和5（b）所示。从图5（a）中可以看出，由于In0.53Ga0.47As 的电子亲和能为4.5 eV，而a-Si 与Si 的电子亲和能为4.17 eV，因此In0.53Ga0.47As/a-Si 界面存在较大的导带带阶，为消除带阶对带宽的影响，在In0.53Ga0.47As/a-Si 界面插入一层厚度为0.08 μm、Ga 组分从0.47 渐变到0.85 的InGaAs 层以缓解导带带阶，但Ga组分的增加导致InGaAs的带隙变大，使得带阶落在价带上。随着da的增加，键合界面a-Si键合层的势垒宽度逐渐增大，a-Si键合界面空穴隧穿率逐渐下降，如图6（a）所示。由于Si雪崩层电离的空穴需越过a-Si势垒，经过InGaAs 本征层，最终被p+-InGaAs 收集，因此空穴隧穿率下降导致空穴在a-Si/p-Si界面发生严重堆积，进一步导致a-Si层内空穴浓度的上升。其次，空穴隧穿率的下降导致隧穿过a-Si层的空穴数量急剧下降，使得InGaAs/a-Si界面空穴浓度随da的增加而变小。另一方面，从图5（b）中可以看出，随着da的增加，a-Si键合层电子亲和能并未发生变化，因此键合界面导带带阶不变，而电子浓度随da的增加却呈现下降趋势。为解释a-Si键合层内电子浓度随da变化的原因，模拟碰撞电离率与da的关系，如图6（b）和6（c）所示。

图5 APD 能带随da的变化Fig.5 Energy band of the APD as a function of da

从图中可以看出，随着da的增加，InGaAs 吸收层和Si倍增层内的碰撞电离率均呈现下降趋势，这与图4 中的电子空穴浓度变化趋势一致，这也进一步表明a-Si层内电子浓度的下降是由于碰撞电离率下降导致的。综上可得，由于导带带阶随da的增加并未发生变化，因此电子浓度的变化主要受碰撞电离率的影响，而价带带阶宽度随da的增加而增加，因此空穴浓度的变化不仅与碰撞电离率有关，而且与键合界面载流子的堆积效应有关，界面势垒宽度的增加导致载流子输运更加困难，从而影响整个器件结构中的空穴浓度分布。图6（d）为器件电场分布，从图中可以看出，随着da的增加，Si倍增层内电场呈现下降趋势，导致Si倍增层内碰撞电离率下降，而InGaAs 层中电场和碰撞电离率呈现相反趋势，主要是由于低场下碰撞电离效果不明显，其次键合界面载流子阻挡作用，导致该层内碰撞电离率出现异常。另一方面，a-Si层内的电场随着da的增加而增强，这主要是由于随着da的增加，键合界面a-Si键合层的电阻变大，键合界面分压效应增强，导致a-Si键合层内电场变大。

通过光电流提取了InGaAs/Si APD 的增益随da的变化，如图7（a）所示。从图中可以看出，随着偏压的增加，器件的增益逐渐增加，当偏压接近击穿电压后增益达到最高值。其次，随着da的增加，增益呈下降趋势，当da=0.5 nm 时，增益达到最高，约为16。APD 增益下降主要是由于随着da的增加，键合界面a-Si键合层的势垒宽度增加，空穴隧穿率下降，载流子在a-Si/Si 界面发生严重堆积效应，器件中参与导电的空穴浓度急剧下降，导致光电流下降，进而使得器件增益呈下降趋势。

图7 增益、3dB 带宽、载流子速率随da的变化Fig.7 Gain，3dB bandwidth，and carrier velocity as a function of da

同时提取了InGaAs/Si APD 的3dB 带宽，如图7（b）所示。从图中可以看出，随着da的增加，器件的3 dB带宽整体呈现下降趋势，且变化斜率逐渐增大，变化速率逐渐加快，当偏压为-24 V 时，带宽约为6 GHz。为解释带宽下降的原因，模拟载流子速率随da的变化，如图7（c）所示。从图中可以看出，随着da的增加，InGaAs 层的空穴速率几乎不变，而电子速率呈下降趋势，导致电子渡越时间下降，且随着da的增加，键合界面a-Si键合层电阻逐渐增大，器件RC 时间常数增加，从而导致3 dB 带宽下降。然而，从图7（c）和图6（d）中的插图可以看出，a-Si键合层内的电子和空穴速率均呈现上升趋势，这主要是由于随着da的增加，a-Si键合层内的电场逐渐增强（图6（d）），a-Si键合层内电子和空穴速率均未达到饱和，因此随着da的增加，a-Si键合内载流子速率上升。综上所述，随着da的增加，虽然器件的暗电流在偏压超过雪崩电压之后急剧下降，并出现光暗电流间隙，为低噪声InGaAs/Si APD 的研制指明了方向，然而随着da的增加，空穴阻挡效应逐渐增强，器件增益和带宽均呈现下降趋势，当da=0.5 nm 时，器件可以获得较好性能。

3 结论

本文理论上研究了InGaAs/a-Si/Si键合界面a-Si 厚度（da）对InGaAs/Si APD 性能的影响。研究结果表明，随着da的增加，键合界面a-Si键合层的势垒宽度逐渐增加，空穴隧穿率急剧下降，a-Si/Si 界面空穴阻挡效应增强，空穴在a-Si/Si 界面发生严重堆积，导致APD 中载流子浓度下降，复合率降低，使得器件暗电流下降。值得注意的是，在a-Si 阻挡效应的作用下，APD 在雪崩后光暗电流并未重合，光暗电流出现一个数量级的电流间隙，这将有利于实现APD 超低的噪声，与此同时，APD 的增益和带宽随da的增加而下降。因此，选用较薄的a-Si键合层不仅可以在室温下获得极低的暗电流，且能保证较高的增益和带宽。