SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

廖雅香; 张均营; 余凯; 薛春来; 李传波; 成步文

doi:10.3788/IRLA201645.0520004

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

廖雅香, 张均营, 余凯, 薛春来, 李传波, 成步文

文章导航 > 红外与激光工程 > 2016 > 45(5): 520004-0520004(3)

廖雅香, 张均营, 余凯, 薛春来, 李传波, 成步文. SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(5): 520004-0520004(3). doi: 10.3788/IRLA201645.0520004

引用本文:

廖雅香, 张均营, 余凯, 薛春来, 李传波, 成步文. SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(5): 520004-0520004(3). doi: 10.3788/IRLA201645.0520004

Liao Yaxiang, Zhang Junying, Yu Kai, Xue Chunlai, Li Chuanbo, Cheng Buwen. Simulation of SiGe/Si single photon avalanche photodiode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 520004-0520004(3). doi: 10.3788/IRLA201645.0520004

Citation:

Liao Yaxiang, Zhang Junying, Yu Kai, Xue Chunlai, Li Chuanbo, Cheng Buwen. Simulation of SiGe/Si single photon avalanche photodiode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(5): 520004-0520004(3). doi: 10.3788/IRLA201645.0520004

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

doi: 10.3788/IRLA201645.0520004

1.
中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室,北京 100083

基金项目:

国家自然科学基金(61376057,61307079,61021003,61036001);中国科学院-日本学术振兴会合作课题(GJHZ1316);北京市科委课题(Z141100003814002);北京自然科学基金(2142031)

详细信息

作者简介:
廖雅香(1989-),女,硕士生,主要从事光电器件方面的研究。Email:yxliao@semi.ac.cn;李传波(1976-),男,研究员,主要从事光电器件、纳米材料与热电器件、纳米储能材料与器件等方面的研究。Email:cbli@semi.ac.cn

廖雅香(1989-),女,硕士生,主要从事光电器件方面的研究。Email:yxliao@semi.ac.cn;李传波(1976-),男,研究员,主要从事光电器件、纳米材料与热电器件、纳米储能材料与器件等方面的研究。Email:cbli@semi.ac.cn

中图分类号: TN215

Simulation of SiGe/Si single photon avalanche photodiode

1.
State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics,Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China

摘要: 通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 m单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06 m波长下,SiGe探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。
- 单光子雪崩光电二极管 /
- SACM-APD /
- 电场分布 /
- 量子效率 /
- 仿真分析
Abstract: The design of a CMOS-technology compatible SiGe/Si single photon avalanche photodiode was presented. The influence of doping condition on electric field distribution, the bandwidth characteristic and the quantum efficiency of detector were discussed in detail. A shallow-junction, Geiger-mode avalanche photodiode to provide single-photon-counting capability at 1.06 m with a low-breakdown voltage(30 V) was designed. A separate absorption and multiplication(SACM) structure was used to fabricate the SiGe/Si avalanche photodiodes, where Si material was taken as the multiplication region. Taking advantage of the higher silicon carrier ionization coefficient, noise was reduced, the quantum efficiency of SiGe detector is 4.2% at 1.06 m, which has a 4 times enhancement compared with the Si detector. Simulation results indicate the optimum doping conditions can realize a suitable e-field distribution, thus obtaining good bandwidth characteristic at the required breakdown voltage of the APD.
- single photon avalanche photodiode /
- SACM-APD /
- electric field distribution /
- quantum efficiency /
- simulation analysis

[1]	Dalapati P, Manik N B, Basu A N. Influence of temperature on tunneling-enhanced recombination in Si based p-i-n photodiodes[J]. Journal of Semiconductors, 2014, 35(8):082001.
[2]	Zheng Chunlei, Pu Hongbin, Li Hong, et al. Photoelectric properties of p--FeSi2/n-4H-SiC heterojunction near-infrared photodiode[J]. Journal of Semiconductors, 2015, 36(5): 054009.
[3]	Zheng Lixia, Wu Jin, Shi Longxing, et al. Active quenching circuit for a InGaAs single-photon avalanche diode[J]. Journal of Semiconductors, 2014, 35(4): 045011.
[4]	Li Bin, Yang Xiaohong, Yin Weihong, et al. A high-speed avalanche photodiode[J]. Journal of Semiconductors, 2014, 35(7): 074009.
[5]	Wang Cailin, Zhang Lei. An analysis of the dynamic avalanche mechanism of an improved FCE diode with a deep p+ adjusting region[J]. Journal of Semiconductors, 2015, 36(4): 044006.
[6]	Sun Pohsing, Chang Shutong. A SiGe/Si multiple quantum well avalanche photodetector[J]. Solid-State Electronics, 2010, 54: 1216-1220.
[7]	Kim Yongsu, Jeong Younchang. Ultra-low noise single-photon detector based on Si avalanche photodiode[J]. Review of Scientific Instruments, 2011, 82(9): 93110.
[8]	Zhiwen Lu, Yimin Kang. Geiger-mode operation of Ge-on-Si avalanche photodiodes[J]. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2011, 47(5): 731-735.
[9]	Ryan E Warburton, Giuseppe Intermite. Ge-on-Si single-photon avalanche diode detectors: design, modeling, fabrication, and characterization at wavelengths 1310 and 1550 nm[J]. IEEE Transactions on Electron Devices, 2013, 60(11): 67-68.
[10]	Jackson J C, Morrison A P, Hurley P, et al. Process monitoring and defect characterization of single photon avalanche diodes[C]//Proceedings of the 2001 International Conference on IEEE, 2001: 165-170.
[11]	Jackson J C, Hurley P K, Lane B, et al. Comparing leakage currents and dark count rates in Geiger-mode avalanche photodiodes[J]. Applied Physics Letters, 2002, 80(22): 4100-4102.

[1]	周志远, 史保森. 基于频谱迁移的红外探测研究进展（特邀） . 红外与激光工程, 2023, 52(5): 20230165-1-20230165-11. doi: 10.3788/IRLA20230165
[2]	郑丽霞, 韩永奇, 万成功, 周谋昭, 李旭妍, 吴金, 孙伟锋. 基于内置时钟的低功耗高精度SPAD阵列读出电路 . 红外与激光工程, 2023, 52(9): 20220896-1-20220896-11. doi: 10.3788/IRLA20220896
[3]	刘春辉, 刘智超, 殷礼鑫. 光纤感知阵列在线滑觉测试系统 . 红外与激光工程, 2022, 51(3): 20210278-1-20210278-7. doi: 10.3788/IRLA20210278
[4]	彭建伟, 陈卫宁, 张高鹏, 方尧, 董森, 杨洪涛. 低照度宽幅航空相机系统设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210312-1-20210312-9. doi: 10.3788/IRLA20210312
[5]	李响, 白东伟, 孟立新, 高亮, 安岩. 空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜 . 红外与激光工程, 2021, 50(7): 20200464-1-20200464-10. doi: 10.3788/IRLA20200464
[6]	王朋朋, 辛宏伟, 朱俊青, 王永宪, 沙巍, 陈长征. 长条反射镜及柔节的参数优化设计 . 红外与激光工程, 2021, 50(8): 20200493-1-20200493-6. doi: 10.3788/IRLA20200493
[7]	褚理想, 樊巧云. 基于量子遗传算法的多光电二极管布局优化 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 813002-0813002(8). doi: 10.3788/IRLA201948.0813002
[8]	王克军, 董吉洪, 周平伟, 王晓宇, 姜萍. 空间遥感器反射镜背部支撑结构设计 . 红外与激光工程, 2019, 48(7): 718004-0718004(11). doi: 10.3788/IRLA201948.0718004
[9]	周振辉, 徐向晏, 刘虎林, 李岩, 卢裕, 钱森, 韦永林, 何凯, 赛小锋, 田进寿, 陈萍. 高量子效率InP/In_0.53Ga_0.47As/InP红外光电阴极模拟 . 红外与激光工程, 2019, 48(2): 221002-0221002(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0221002
[10]	师宇斌, 张检民, 张震, 林新伟, 程德艳, 窦鹏程. 基于等效电路参数提取的硅光电二极管激光损伤机理分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 106002-0106002(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0106002
[11]	熊玲, 罗霄, 戚二辉, 张峰, 薛栋林, 张学军. 摆臂式轮廓测量不同母线条数的敏感性分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(2): 217003-0217003(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0217003
[12]	杜鸣笛, 贾雅琼, 何淑珍. 亚波长金属光栅的凹槽深度对太赫兹伪表面等离子体影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(8): 825003-0825003(5). doi: 10.3788/IRLA201746.0825003
[13]	孙建宁, 任玲, 丛晓庆, 黄国瑞, 金睦淳, 李冬, 刘虎林, 乔芳建, 钱森, 司曙光, 田进寿, 王兴超, 王贻芳, 韦永林, 辛丽伟, 张昊达, 赵天池. 一种大尺寸微通道板型光电倍增管 . 红外与激光工程, 2017, 46(4): 402001-0402001(5). doi: 10.3788/IRLA201746.0402001
[14]	周玉蛟, 任侃, 钱惟贤, 王飞. 基于光电二极管反偏的光电检测电路的噪声分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(1): 117003-0117003(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0117003
[15]	拜晓锋, 杨书宁, 候志鹏, 贺英萍. 微光像增强器夜视兼容特性分析 . 红外与激光工程, 2016, 45(S2): 101-105. doi: 10.3788/IRLA201645.S220001
[16]	王巍, 颜琳淑, 王川, 杜超雨, 王婷, 王冠宇, 袁军, 王振. Ge/Si SACM-APD器件分析 . 红外与激光工程, 2015, 44(4): 1349-1353.
[17]	崔程光, 王淑荣, 李博, 王俊博, 黄煜. 紫外可见NMOS线阵图像传感器量子效率的定标研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2844-2848.
[18]	纪应军, 石柱, 覃文治, 代千, 冯万鹏, 胡俊杰. 用于光子计数的InGaAs/InP SPAD设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 934-940.
[19]	康冰心, 蔡毅, 王岭雪, 薛唯, 高岳. 硅化铂红外焦平面探测器性能改进技术分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 742-748.
[20]	王晓勇, 种明, 赵德刚, 苏艳梅. 283 nm背照射p-i-n型AlGaN日盲紫外探测器 . 红外与激光工程, 2013, 42(4): 1011-1014.

点击查看大图

计量

文章访问数: 457
HTML全文浏览量: 59
PDF下载量: 261
被引次数: 0

SiGe/Si单光子雪崩光电二极管仿真

doi: 10.3788/IRLA201645.0520004

1. 中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室,北京 100083

作者简介:
廖雅香(1989-),女,硕士生,主要从事光电器件方面的研究。Email:yxliao@semi.ac.cn;李传波(1976-),男,研究员,主要从事光电器件、纳米材料与热电器件、纳米储能材料与器件等方面的研究。Email:cbli@semi.ac.cn

廖雅香(1989-),女,硕士生,主要从事光电器件方面的研究。Email:yxliao@semi.ac.cn;李传波(1976-),男,研究员,主要从事光电器件、纳米材料与热电器件、纳米储能材料与器件等方面的研究。Email:cbli@semi.ac.cn

收稿日期: 2015-09-17
修回日期: 2015-10-21
刊出日期: 2016-05-25

基金项目:

国家自然科学基金(61376057,61307079,61021003,61036001);中国科学院-日本学术振兴会合作课题(GJHZ1316);北京市科委课题(Z141100003814002);北京自然科学基金(2142031)

中图分类号: TN215

关键词:

摘要: 通过理论模拟CMOS工艺兼容的SiGe/Si 单光子雪崩二极管,研究并讨论了掺杂条件对于电场分布、频宽特性、以及器件量子效率的影响。设计出具有浅结结构、可在盖革模式下工作、低击穿电压(30 V)的1.06 m单光子技术雪崩光电二极管。器件采用分离吸收倍增区结构,其中Si材料作为倍增区、SiGe材料作为吸收区,这充分利用了硅材料较高的载流子离化比差异,降低了器件噪声;在1.06 m波长下,SiGe探测器的量子效率为4.2%,相比于Si探测器的效率提高了4 倍。仿真表明优化掺杂条件可以优化电场分布,从而在APD击穿电压处获得更好的带宽特性。