[JEDS] InGaAs/InP 雪崩光电二极管保护环结构优化与暗电流抑制

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 研究成果与看点

该文献发表于IEEE Journal of the Electron Devices Society (JEDS)期刊，题为《Optimization of Guard Ring Structures for Superior Dark Current Reduction and Improved Quantum Efficiency in InGaAs/InP APDs》。

该研究的主要成果在于：通过"模拟指导设计"结合流片制造与验证，系统性地解决了InGaAs/InP雪崩光电二极管长期面临的边缘崩溃难题。

通过精准调控锌（Zn）扩散工艺中的保护环几何参数，研究团队将附着保护环（AGR）器件的暗电流降低了70%，量子效率提升了43%；进一步地，浮动保护环（FGR）结构使暗电流呈数量级下降，量子效率提升了90%，并将崩溃电压分别提升了2.5V与4V。

该研究所获得的实测数据对提升短波红外（SWIR）单光子检测、光达（LiDAR）及生物光子学的感测性能具有参考价值。

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研究团队

该研究汇聚了中国多个研究机构的科研力量，主要团队来自：
中国科学院西安光学精密机械研究所（超快光科学与技术国家重点实验室）.中国科学院大学.西安交通大学（电子科学与工程学院，物理电子与器件教育部重点实验室）

研究团队涵盖Zefang Xu、Yu Chang等人，由Xing Wang研究员担任通讯作者。

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研究背景：边缘崩溃的物理挑战

在短波红外光（SWIR）波段，基于SAGCM（吸收、漸變、電荷與倍增分離）结构的InGaAs/InP APD是目前业界的主流方案。

该结构利用窄能隙的InGaAs作为吸收层（吸收1550 nm光子），并利用宽能隙的InP作为雪崩倍增层，以降低隧穿暗电流并利用InP较佳的碰撞电离系数比来降低倍增噪声。

面临的困难： 为了在InP顶层形成p+-n异质接面，业界通常采用锌（Zn）热扩散工艺。由于扩散掩模边缘的屏蔽效应，Zn扩散的轮廓在主动区边缘会形成明显的曲率效应。

根据半导体器件物理，p-n接面的曲率半径越小，该处的等电位线越密集，导致局部电场峰值急剧上升。

当器件施加高反向偏压以追求高增益时，边缘的极端高电场会使器件在中心主动区达到崩溃电压之前，边缘就提前发生边缘崩溃。

这引发极大的漏电流、巨大的噪声，并严重压缩器件的有效工作偏压范围，导致中心区域无法达到应有的量子效率与光电流增益。过往文献中虽有AGR或FGR的概念，但缺乏针对不同几何构型的系统性比较与实验定量分析。

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解决方案：TCAD模拟与物理模型

针对上述难题，研究团队采用模拟先验、实验后证的思路。研究者利用TCAD半导体物理模拟软件，建立了完整的物理模型，包含：

Fermi-Dirac载流子统计模型与Shockley-Read-Hall (SRH)复合模型
俄歇复合（Auger recombination）与能隙窄化效应

缺陷辅助隧穿（TAT）与带间隧穿（BBT）模型（精确预测暗电流的关键）

Van Overstraeten-Man碰撞电离模型，精确计算InP倍增层中的电子与空穴崩溃行为

通过上述数值模型，研究团队提出通过控制Zn扩散的深度（D）、保护环的宽度（W），以及主动区与保护环之间的间距（Ws），来引导电场重新分布，将原本集中于主动区边缘的危险电场，平缓地过渡并疏散到保护环结构中。

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实验过程与步骤

研究的实施分为"外延生长"与"后工序"两个阶段：
材料制备与外延生长（MOCVD）： 研究团队使用MOCVD技术在2英寸N型InP衬底上生长了精密的SAGCM结构（见表3）：
．缓冲层（Buffer）： 0.5 µm Si掺杂InP
．吸收层（Absorption）： 2.0 µm未掺杂i-InGaAs
．梯度层（Grading）：0.06 µm InGaAsP，用于平滑InGaAs与InP之间的价带不连续
．电荷层（Charge）： 0.2 µm Si掺杂InP，精准调节电场
．覆盖层与倍增层（Cap / Multiplication）： 3.0 µm未掺杂i-InP
（对应文献Figure 1(a)器件结构示意图与Figure 1(b)能带图）

器件工艺与Zn扩散（后工序）： 器件的核心在于利用氮化硅（SiN）作为掩模进行Zn扩散：

．无保护环（Without GR）：直接单次扩散
．附着保护环（AGR）： 利用掩模设计，在中心扩散区周围形成较浅的边缘扩散区，扩散深度为D2，宽度为W1
．浮动保护环（FGR）： 两步Zn扩散，在AGR外围隔着距离Ws形成另一个独立扩散环，深度为df

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研究成果与器件性能表征

该段落为文献的核心内容，详细阐述了通过几何调控后，器件在光电特性表征上取得的进展。
A. 电场分布与暗电流密度的理论表征（TCAD模拟）
曲率效应的转移现象： 当AGR深度（D2）不足时，无法抑制主动区边缘电场（E1）；但若AGR深度过深，曲率效应会发生转移，导致AGR外侧边缘产生新的极端高电场（E2）。（见文献Figure 4(a)电场截面图）

FGR的电场疏导：通过加入FGR结构，并调控间隙Ws与深度Df，FGR成功将AGR边缘的电场进一步分流

电流密度截面分布图： 模拟结果表明，在崩溃电压下，无保护环器件在边缘会出现明显的高漏电流密度；而FGR结构将载流子引导至器件中心，消除了边缘漏电流（见文献Figure 6）

B. 结构形貌表征
为确认外延品质与扩散轮廓，研究使用了以下高端测量仪器：

TEM（透射式电子显微镜，设备为Helios）： 通过FIB（聚焦离子束）切割制备超薄试片，清晰表征了InP衬底、InGaAs吸收层到InP覆盖层的异质接面平整度（见文献Figure 7(a)）

SEM（扫描式电子显微镜，设备为Regulus）： 利用SEM截面图直接测量了扩散区的物理轮廓，清晰验证了无保护环的单一深槽、AGR的阶梯状浅槽，以及FGR两步扩散所形成的隔离环结构（见文献Figure 7(b)-(d)）

C. I-V曲线特性【重点】
在室温环境下，研究团队在黑暗环境与1550 nm光激发条件下执行了电流-电压扫描，直接验证了保护环的效用（强烈建议配合文献Figure 8(a) I-V曲线图阅读）：

1.崩溃电压（Breakdown Voltage，Vb）延后：实测结果显示，无保护环器件在67V提前崩溃；AGR器件延迟至69.5V；而FGR器件将崩溃电压推迟到了71V。

这证明边缘电场被成功抑制，器件得以承受更高的偏压

2.暗电流（Dark Current）大幅下降： 这是评估传感器底噪的关键表征！与无保护环器件相比，AGR结构在崩溃电压前将暗电流压制了70%；而FGR结构展现了显著效果，暗电流下降了近一个数量级
增益（Gain）。在崩溃电压附近，AGR与FGR均获得了高于无保护环器件的光电流放大能力（增益达242倍）（见文献Figure 8(b)增益曲线）

D. 外部量子效率EQE与光谱响应表征【重点】
文献中以Quantum Efficiency (QE)称呼，其本质上涵盖了外部量子效率（EQE）与光谱响应（SR）的表征，覆盖波长范围从0.8 µm至1.6 µm。（强烈建议配合文献Figure 8(c)波长与量子效率关系图阅读）

1.光谱响应范围： 研究表征了0.8 µm到1.6 µm波段的量子效率。曲线显示，器件在约1.0 µm到1.6 µm之间具有宽广的响应平台，完美契合InGaAs的能隙吸收特性，并在接近1.65 µm（InGaAs截止波长）处迅速下降

2.EQE/QE的显著提升：在贯穿电压（增益M=1的参考点）下，无保护环器件的QE仅不到40%。但在导入保护环降低暗电流干扰并改善内部电场后，AGR的QE提升了43%，而FGR的QE提升了90%

3.绝对数值分析： 该研究实现的峰值QE为61.02%（见表4）。作者指出，此数值尚未达到理论极限的80%，是因为缺少最优化的光学封装与设计（例如：正面微透镜与抗反射涂层），导致有效光学吸收率与收集率受限

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结语

该文献通过严谨的"模拟—制造—表征"循环，为InGaAs/InP雪崩光电二极管提出了一套有效的边缘崩溃解决方案。

FGR结构在维持主动区特性的同时，有效解决了边缘极端电场的问题，实现了较低的暗电流与良好的量子效率。该研究为未来的单光子检测与光达传感器设计提供了参考价值的物理洞见与工程设计参考。