InGaAs/Si鍵合界面a-Si鍵合層厚度對InGaAs/Si雪崩光電二極管性能的影響

佘實現，張燁，黃志偉，周錦榮，柯少穎

（閩南師范大學物理與信息工程學院，福建漳州363000）

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雪崩光電二極管（Avalanche Photodiode，APD）是一種常見的微弱光探測器件，常用于量子通信［1-2］、激光雷達［3-4］、深空探測［5-6］等高靈敏度光探測領域。與傳統的PIN 光電探測器相比，APD 倍增區可以在高電場下發生連續碰撞電離，從而實現極高的增益（響應度），其性能主要取決于光的吸收和載流子的倍增。在過去十幾年中，以In0.53Ga0.47As（下文簡稱InGaAs）為吸收區，InP 為倍增區的吸收-漸變-電荷-倍增分離結構的InGaAs/InP APD［7-9］由于具備精確調制吸收區和倍增區中的電場而成為主流的研究方向之一。其次，InGaAs 與InP 晶格匹配，因此InP 上可以外延出晶體質量極高的InGaAs 材料。再者，InGaAs 吸收材料在近紅外通信波段（1 310 nm 和1 550 nm）具備極高的吸收系數，因此該器件常被用于遠距離傳輸系統和城域中繼網絡［10-12］。

眾所周知，高性能APD 的實現不僅需要高的吸收，而且需要超快的雪崩倍增建立速度，同時具備極低的雪崩倍增噪聲，而評價雪崩倍增噪聲的關鍵指標是電子空穴電離系數比（k值），k值越小表明單類型載流子在倍增區的碰撞電離越凸顯，APD 可以實現越小的噪聲。雖然InGaAs 在近紅外波段吸收效率高，然而外延InP 倍增材料不僅存在高密度深能級缺陷，而且k值高達0.3～0.5［13-14］，因此InGaAs/InP APD 的噪聲極大、帶寬受到限制，特別對于單光子探測而言，InP 倍增層中的深能級缺陷會導致器件后脈沖效應加劇，使得器件暗計數率上升。雖然近期有科研人員采用InAlAs代替InP 作為器件倍增層使得器件的帶寬得到極大的提高，然而InAlAs的k值仍然高達0.15～0.3［15-16］，無法從根本上降低器件噪聲，這使得InP 基器件極難應用于近室溫微弱光探測。……