雪崩光電探測器(APD)的現狀及前瞻

        【訊石光通訊咨詢網】1.引言

        光電探測器是將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕钠骷?。在半導體光電探測器中，入射光子激發(fā)出的光生載流子在外加偏壓下進入外電路后，形成可測量的光電流。PIN光電二極管即使在最大的響應度下,一個光子最多也只能產生一對電子-空穴對,是一種無內部增益的器件。為了獲得更大的響應度,可以采用雪崩光電二極管(APD)。APD對光電流的放大作用基于電離碰撞效應,在一定的條件下,被加速的電子和空穴獲得足夠的能量,能夠與晶格碰撞產生一對新的電子-空穴對,這種過程是一種連鎖反應,從而由光吸收產生的一對電子-空穴對可以產生大量的電子-空穴對而形成較大的二次光電流。因此APD具有較高的響應度和內部增益，這種內部增益提高了器件的信噪比。APD將主要應用于長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APD的前景十分看好，認為APD的研究對于增強相關領域的國際競爭力，是十分必要的。

2.雪崩光電探測器（APD）的技術發(fā)展

2.1 材料
1)Si

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

2)Ge

        Ge APD雖然光譜響應適合光纖傳輸低損耗、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 波長有約為104cm-1高吸收系數，是目前光探測器吸收層首選材料。In0.53Ga0.47As光電二極管比起Ge光電二極管，有如下優(yōu)點：（1）In0.53Ga0.47As是直接帶隙半導體，吸收系數高；（2）In0.53Ga0.47As介電常數比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，因此可以預期In0.53Ga0.47As/InP光二極管具有高的效應和響應；（3）電子和空穴的離化率比率（ ）不是1，也就是說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襯底上可以生長出高質量的In0.53Ga0.47As外延層，可以顯著的降低通過p-n結的暗電流。（5）In0.53Ga0.47As/InP異質結構外延技術，很容易在吸收區(qū)生長較高帶隙的窗口層，由此可以消除表面復合對量子效率的影響。

4)InGaAsP/InP

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

5)InGaAs/InAlAs

        In0.52Al0.48As材料帶隙寬（1.47 eV），在1.55 mm 波長范圍不吸收，有證據顯示[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]，可以通過引入InGaAs（P）/InAlAs和 In（Al）GaAs/InAlAs超晶格結構提高倍增層的碰撞離化率，超晶格結構增益示意圖如圖2所示。應用超晶格結構這一能帶工程可以人為控制導帶和價帶值間的非對稱性帶邊不連續(xù)性，并保證導帶不連續(xù)性遠遠大于價帶不連續(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，可以預期電子所獲得的能量使電子離化率的增加量遠遠大于空穴能量對空穴離化率(b)的貢獻，電子離化率與空穴離化率的比率（k）增加。因此，應用超晶格結構可以獲得大的增益-帶寬積（GBW）和低噪聲性能。然而，這種可以使k值增加的InGaAs/InAlAs量子阱結構APD很難應用在光接收機上。這是因為影響最大響應度的倍增因子受限于暗電流，而不是倍增噪聲[7]。在此結構中，暗電流主要是由窄帶隙的InGaAs阱層的隧道效應引起[8]，因此，引入寬帶隙的四元合金，比如InGaAsP或InAlGaAs,代替InGaAs作為量子阱結構的阱層可以抑制暗電流。

        以InAlGaAs和 InAlGaAs/InAlAs為倍增層的 APD離化系數比率k隨電場的變化。在相同的電場下，超晶格結構可以大大提高k,表明超晶格結構 的器件具有更大的信噪比。研究表明[9]，InAlGaAs/InAlAs量子阱結構的平均能隙為1.32 eV, InAlGaAs和InAlAs的帶隙值分別為1.13 eV和1.47 eV,量子阱結構的能隙值介于InAlGaAs和InAlAs的帶隙值之間。量子阱結構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結構的空穴離化率可以用帶隙差來很好的解釋。然而對于電子離化率來說，量子阱結構比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帶差（ΔEc）引起的。在InGaAsP/InAlAs 異質結中，這種大的導帶差更為明顯，而價帶的差異通過P的引入幾乎消失，預期InGaAsP/InAlAs APD具有更大的電子碰撞離化率[6]。

2.2 APD的芯片結構

        合理的芯片結構是高性能器件的基本保證。APD結構設計主要考慮RC時間常數,在異質結界面的空穴俘獲,載流子通過耗盡區(qū)的渡越時間等因素。下面對其結構的發(fā)展作一綜述：

1）基本結構

        最簡單的APD結構是在PIN光電二極管的基礎上，對P區(qū)和N區(qū)都進行了重摻雜，在鄰近P區(qū)或N區(qū)引進n型或p型倍憎區(qū)，以產生二次電子和空穴對，從而實現對一次光電流的放大作用。對于InP 系列材料來說，由于空穴碰撞電離系數大于電子碰撞電離系數，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)，所以稱這種結構為空穴注入型結構。

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）結構的提出

        目前商品化的APD器件大都采用InP/InGaAs材料，InGaAs作為吸收層，InP在較高電場下(>5x105V/cm)下而不被擊穿，可以作為增益區(qū)材料。對于該材料， 所以這種APD的設計是雪崩過程由空穴碰撞而在n型InP中形成?？紤]到InP和InGaAs的帶隙差別較大,價帶上大約0.4eV的能級差使得在InGaAs吸收層中產生的空穴，在達到InP倍增層之前在異質結邊緣受到阻礙而速度大大減少，從而這種 APD的響應時間長，帶寬很窄。這個問題可以在兩種材料之間加InGaAsP過渡層而得到解決。

4）分別吸收、漸變、電荷和增益（SAGCM）結構的提出

        為了進一步調節(jié)吸收層和增益層的電場分布，在器件設計中引入了電荷層，這種改進大大的提高了器件速率和響應度。

5）諧振腔增強型 (RCE) SAGCM結構

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

        由于GaAs/AlAs諧振腔工藝的成熟，目前這種結構的器件以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，使得工藝變得復雜，因此以InP為基材料的諧振腔增強型探測器實用化的很少。當然可以利用鍵合技術，應用GaAs/AlAs的成熟工藝，制備以InP為基材料的諧振腔增強型探測器。近年來又出現了以InAlGaAs/InAlAs或者InGaAs(P)/InAlAs材料的DBR,其波長位于我們感興趣的波長范圍，受到研究和開發(fā)人員的廣泛關注[10]。圖4給出了共振腔增強型InGaAs/InAlAs SACM APD結構示意圖。用MBE(分子束外延)生長的器件結構包括半絕緣的InP襯底，DBR反射鏡（30對各層厚度為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吸收層的電場不高于105 V/cm,保證器件高速率特性。最后生長的是未摻雜的InAlAs空間層和P+-InAlAs頂層，其厚度都進行了優(yōu)化設計以確保器件在特定波長都具有最高的響應度。

        這種結構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。噪聲測量表明該器件具有非常低的噪聲特性（k~0.18）,這個值比以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）邊耦合的波導結構 (WG-APD)

        另一種解決吸收層厚度對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結構。這種結構從側面進光，因為吸收層很長，容易獲得高量子效率，同時，吸收層可以做得很薄，降低載流子得渡越時間。因此，這種結構解決了帶寬和效率對吸收層厚度的不同依賴關系，有望實現高速率，高量子效率的APD。WG-APD在工藝上較RCE APD簡單，省去了DBR反射鏡的復雜制備工藝。因此，在實用化領域更具有可行性，適用于共平面光連接。

        InGaAs/InAlAs SACM WG-APD結構示意圖[12]。該器件是用MOCVD方法，在S-摻雜的（100）InP襯底上，生長100 nm N型InP過渡層，再生長一層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電荷層的作用是調整電場在吸收層和倍增層的分配，吸收層上下兩側各生長100 nm非故意摻雜的InAlGaAs波導層。這種結構的器件可以實現320 GHz的增益-帶寬積和極低的噪聲特性（k=0.15）,充分表現了其在高速率和長距離光通信領域的潛在應用。

        WG-APD的主要問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光面抗反膜的影響，使這種結構的器件可$&*性變差。這些問題可以通過結構改進而逐步解決。

3.結論

        綜述了雪崩光電探測器材料和器件的發(fā)展過程。InP材料電子和空穴碰撞離化率與InAlAs相比比較接近，導致了兩種載流子對稱的倍增過程，使雪崩建立時間變長，噪聲增加。與單純的InAlAs材料相比，InGaAs（P）/InAlAs和In（Al）GaAs/InAlAs量子阱結構碰撞離化系數的比率增加，因此可以大大改變噪聲性能。在結構上，為了解決吸收層厚度對器件速率和量子效率不同影響的矛盾，發(fā)展了諧振腔增強型 (RCE) SAGCM結構和邊耦合的波導結構 (WG-APD)，這兩種結構由于工藝的復雜性，完全實用化還需要進一步探索。