Si/Si_(1-x)Ge_x 量子阱 APD 增强红外吸收的讨论为突破硅基探测器在红外探测中由硅本征禁带宽度导致的 1104 nm 波长截止,设计出比现阶段普遍使用的稀土元素红外探测器(如 In Ga As 探测器)成本更低、噪声更小、兼容性更好的硅基量子阱雪崩红外探测器。本文通过Silvaco TCAD 进行模拟仿真以设计近红外短波吸收增强型 APD,并将 Si/Si1-xGex 量子阱量子阱结构加入 APD 的吸收区进一步提高长波长范围的吸收率并拓宽 APD 的响应范围。最终达到优化硅基 APD 增强红外吸收的目的。作为讨论的第一步利用Athena 工艺仿真模块设计模拟流片制备外延 12μm APD 的整个工艺过程,并利用Atlas 对 APD 内部结构可以直接设定的优势仿真 10μm 吸收区的 APD 探测像元。对比 12μm 吸收区 APD 探测像元和吸收区为 10μm 的 APD 探测像元的光谱响应,得出了吸收区 10μm 的 SACM 结构吸收峰在 0.5μm 处,而吸收区厚度加厚的12μm 外延层 APD 探测像元具有宽谱响应并在 0.8μm 1.1μm 的近红外区保持着较大的光电流,由此验证了更大的吸收区域使更多的光子尤其是长波长光子在器件较深的吸收区被吸收。在以上 10μm APD 器件基础上加入 Si/Ge 异质结量子阱结构并仿真其光电特性,得到了 Ge/Si/Ge 异质结量子阱 APD 光电流比暗电流提前 10V 击穿的结果,这意味着在光信号雪崩放大时暗电流尚未倍增,有效地抑制了噪声。通过比较双异质结量子阱 APD 和 6 层 Ge 的量子阱 APD 的光谱得出 Ge 层数的增加使光谱峰红移 0.05μm,但是 Ge 层数的增加使异质结表面位错增加,降低了载流子输运。基于以上讨论考虑将 Si/Ge 异质结量子由失配度更小的 Si/Si1-xGex 量子阱代替引入器件的吸收区。通过讨论加入含 Ge 的量子阱结构在工艺温度上所需要注意的问题设计了低温推结的工艺的无量子阱硅基 APD 对比组,并在吸收区加入 Si/Si1-xGex 量子阱结构仿真得到了它们的光电特性。得出 Si/Si1-xGex 量子阱 APD 使得原本的硅基雪崩光电二极管的吸收范围突破室温下 1104 nm 的硅截止波长的限制有效拓宽至 1.2μm,同时通过与未加入量子阱结构的对比组进行光谱比较,Si/Si1-xGex 量子阱结构加入吸收区使光信号在红外波段提高了至少 10 倍,有效提高了信噪比。通过分析 Ge 含量 x 与禁带宽度和折射率的关系,得出 Si/Si1-xGex 量子阱APD 具有上述优点是因为 Si/Si1-xGex/Si 不仅是一个量子阱结构还是一个光波导结构,有效提高了光的吸收和利用。
