对砷化镓ADP和砷化铝镓AD的锑化镓吸收区和倍增结构区域采用异质晶格界面的方法进行分离外文翻译资料

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对砷化镓ADP和砷化铝镓AD的锑化镓吸收区和倍增结构区域采用异质晶格界面的方法进行分离

摘要

砷化镓ADP和砷化铝镓ADP这两种新型的雪崩光电二极管的结构是由界面错配阵列创建的。能把使用砷化镓的锑化镓吸收层和使用Al_0.8Ga_0.2As的差距乘法区域相结合。砷化镓雪崩光电二极管证实了了Al_0.8Ga_0.2As 雪崩光电二极管能减少暗电流的原理。能在电流密度5.07微安每平方厘米的90%的最低击穿电压下，使其有效值（k=beta;/alpha;）低于0.2。采用模拟随机路径长度方法对这两种噪声结构进行建模。同时还要考虑死区因素对建模结果的影响。所以，不妨用6.1埃系列的其他材料来取代锑化镓吸收区，从而可以使用具有较低暗电流和减少过量噪声的测长波长雪崩二极管。

1. 介绍

雪崩光电二极管由于其内部增益，具有灵敏度较高的特点。理想的长波长雪崩光电二极管在各领域有所应用：包括电信、国防[1]、气体灵敏度[2]和热成像方面等;甚至它还可以对弱信号进行识别。目前，较高的灵敏度和较低的暗电流和噪音是ADP的优点。

最近,许多研究集中在用于锑化镓和砷化铟上生成的设备上，因为各种窄隙层可以生长成与晶格相匹配状态，包括铟砷锑、锑砷化铟镓和应变层超晶格(SLS)。近来的研究表明，砷化铟APDs[3]工作波长可以达到3.5微米。

然而，据说这些都遭受多余的表面复合和结构隧穿电流的影响。目前正在研究一种将SLS用于替代APD吸收区域的方法;据说其还包括运行在4.92微米[4]和2.5微米[5]的设备。基于InGaAsSb/AlGaAsSb异质结构，运行宽度为2.2微米的模拟结果匹配层的分离吸收区和倍增区也得到了发展。[6,7]。

正如现在工作中的情况所示，根据一种材料的吸收特性和另一种材料的倍增性能，设计了一种将吸收区和倍增区分开的雪崩二极管。这是一种用于分子光束外延的方法，它能轻松地使其高质量得让外延层在不匹配的基础上生长。这种设备是基于IMF阵列器件，它包括激光器[10]、led灯[11]和光电二极管[12]。

本研究利用IMF阵列将6.1埃的锑化镓吸收区直接在砷化镓和Al_0.8Ga_0.2As倍增层生成，形成所谓的“异晶格APD”。砷化镓APD被提供了更低的额外噪声和暗电流的砷化铝镓APD所取代。

虽然本研究选择了锑化镓吸收体区域，但本设计易于开发，易于使用其他6.1 Aring;的吸收体材料，特别是铟砷锑。在这种情况下，锑砷化的IMF层将变成一层薄薄的缓冲区。

1. 实验的细节

这两种结构，如图1所示，用的是Veeco Gen930 MBE反应堆。氧化为样本,进行解吸,在600°C,紧随其后的是n 的生长砷化镓复合-丁地区,在580°C。接下来是砷化镓 APD, p -倍乘区域。

在AlGaAs APD中，它被替换为一种未掺杂的Al0.8Ga0.2As倍增区和p 电荷片用以防止高电场扩散到吸收层。对于砷化镓 APD，与IMF本身相关联的承兑人类型表足以防止该领域扩散[13]。对于这两个样本，在没有As2通量的情况下，经过短暂的生长停顿，然后应用Sb2通量，形成IMF界面。当时的基础保底温度随后减少到510°C。然后气体吸收层的继续生长。在处理过程中，分别用Ti/Pt/Au和AuGe/Ni/Au对p-GaSb和n-GaAs触点进行蒸发。采用标准光刻和电感耦合等离子体(ICP)反应离子蚀刻(RIE)定义了直径在25 ~ 800 lm之间的圆形台面。

图1，给出了两种结构的截面示意图。左：GaAs设计，右：AlGaAs设计。

1. 结果与讨论

图2为两个样本的IV数据。利用光纤耦合1.55 lm激光器对光电流进行了测量。在这两个样品中，击穿电压以下的暗电流都小于锑化镓 p-i-n光二极管[14]的预期，这证实了显著的电场没有扩散到吸收区域。还注意到没有带间隧道电流。

图2 显示200 lm直径台面的IV数据。

暗电流:GaAs设计(j)， AlGaAs设计(h).

1.55 lm激光器照明下的电流:GaAs设计()，

AlGaAs设计()。实线是指南。

图3。给出了相乘的计算，直径为200lm的台面。

测量光电流:GaAs设计()、AlGaAs设计()。虚线:模型乘法。

设计计算主要光电流:砷化镓(j), AlGaAs设计(h),实线:主要配件的光电流。

计算乘法:GaAs设计()、AlGaAs设计()。

对两个样品进行了详细的电容电压测量。用一个简单的静电模型来确定图1所示的层厚度和掺杂浓度。利用标准积分[15]和Plimmer[16]中的参数化电离系数(GaAs)和Ng[17]中的参数化电离系数(Al0.8Ga0.2As)，采用相同的静电模型对乘法进行建模。对于这两个样本，用一个简单的程序来确定乘法来算出作为电压的函数，如图3所示。首先，通过实验光电流模型乘法，计算出初级光电流，拟合成一个指数函数后，将实验光电流除以拟合指数，即初级光电流，得到实验乘法值。

使用标定的hfr8970b噪声图仪测量是否噪声严重，在20mhz和25mhz之间的频率处用1hz带宽进行操作。对两种样品，在不同直径的器件上重复收集，得出结果。然后将测出的过量噪声结果与McIn- tyre[18]模型和强电离脱粒能RPL模型进行比较;与Ong等人.[19]的操作类似。但它解释了一个可变的配置领域。

图4。(h)直径200 lm设备,()直径100 lm设备,()50 lm直径设备,实线:RPL模拟,0.28(times;)

砷化镓p i n lm固有宽度[20],( )砷化镓与0.49 p i n lm固有宽度[20]

,虚线:本地模型曲线McIn- tyre,从k = 0到 k = 0.5,间隔0.1的步骤。

图5。()直径100 lm的设备,()50 lm直径设备,实线:RPL模拟,(times;)Al0.8GaAs p i n 0.03 lm固有宽度[21],( )Al0.8GaAs- 0.10 n与lm

固有宽度[21],虚线是Eq.的局部模型曲线。(1),取从k = 0到0.1每个间隔为 0.2。

图4为Li等人[20]采集的砷化镓 APD数据。这是在0.2 lt; keff lt; 0.4范围内确定的。也表明用于砷化镓的p - i - n二极管的原始数据宽度范围在0.28微米-0.49微米之间。由此可得，此结构中的keff值与参考值相比有所降低。器件倍增区掺杂浓度较高的情况下，这是可以预期的。这导致附近的电场集中连接,并相应浓度的电离作用事件在同一地区。发生离子化的长度的减小降低了了紊乱的水平，并因此降低了keff值。RPL模型曲线验证了这一效应，该曲线考虑了通过硬阈值电离能在倍增区域内的死区所占的比例，其中电子为2.3 eV，空穴[20]为2.1 eV。

图5为采集的砷化铝镓APD数据。实验数据图像曲线与McIn-tyre曲线有偏差，尤其是在乘法值小于20的情况下。这是一个众所周知的效应，因为在较窄的乘法区域内，死区的比重相应地增加了。这种趋势反映在RPL建模曲线中。数据在0.1 lt; keff lt; 0.2左右的范围内，与之前发布的Al_0.8Ga_0.2As二极管[21]的数据基本一致。

1. 结论

研究表明了，锑化镓吸收区的砷化镓APD和Al_0.8Ga_0.2AsAPD结构，基本取决于IMF的增长模式。

它是在砷化铝镓 APD基础上发展的，可以减少暗电流。在电流密度为5.07微米每平方厘米的90%的击穿电压下，有效值k = beta;/alpha;低于0.2。测量了两个样本的过大的噪声，并都把它们与之前发布的相似结构的数据和RPL模型进行了比较。这种新型的异质晶格APD概念的首次得到成功演示，利用不同晶格常数的材料进行吸收和倍增，并将光电流通过界面。这建议我们还可以使用6.1Aring;的其他吸收材料进行实验设计，以便进行更大范围的波长的探测。

利益冲突

作者之间没有利益冲突、纠纷。

鸣谢

本文作者希望对英国工程和物理科学研究理事会表达感谢，感谢其提供给A.P.克雷格(批准号EP /P505585/1)奖学金。并感谢美国国防部(DoD)为向C.J.雷伊纳提供的科学、数学转化研究奖学金提供的支持。此外，还想感谢美国国防部对NSSEFF赠款N00244-09-1-0091和皇家工程院奖助金的支持(批准号EP / H043993/1)。

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