具有高增益的AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管

代志诚; 谷燕; 张秀梅; 陆乃彦; 杨国锋

doi:10.37188/OPE.20202812.2614

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具有高增益的AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管

现代应用光学 | 更新时间：2021-01-04

- 具有高增益的AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管
- AlGaN solar-blind ultraviolet avalanche photodiodes with high multiplication gain
- 光学精密工程 2020年28卷第12期页码：2614-2621
- 作者机构：
  
  江南大学理学院，江苏无锡 214122
- 作者简介：
  
  [ "代志诚(1995-)，男，安徽长丰人，硕士研究生，主要研究方向是AlGaN基紫外光电器件和探测器的物理机制。E-mail:406485733@qq.com" ]
  [ "杨国锋(1985-)，男，江苏泰州人，博士，副教授，硕士生导师，2008于南京航空航天大学获得学士学位, 2013于南京大学获得博士学位，主要从事III-V族宽禁带半导体光电和电子器件的设计。E-mail:gfyang@jiangnan.edu.cn" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金资助项目(61974056;11604124);江苏省自然科学基金资助项目(BK20190576);无锡市科技发展基金社会发展项目(N20191002);江苏省研究生科研与实践创新项目(KYCY20_1769);江苏省高等学校大学生创新训练计划项目(202010295125Y)
- DOI：10.37188/OPE.20202812.2614
  中图分类号： TN364
- 收稿日期：2020-07-22，
  
  修回日期：2020-08-17，
  
  纸质出版日期：2020-12-15
- 稿件说明：
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代志诚,谷燕,张秀梅等.具有高增益的AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管[J].光学精密工程,2020,28(12):2614-2621.

DAI Zhi-cheng,GU Yan,ZHANG Xiu-mei,et al.AlGaN solar-blind ultraviolet avalanche photodiodes with high multiplication gain[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2614-2621.
代志诚,谷燕,张秀梅等.具有高增益的AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管[J].光学精密工程,2020,28(12):2614-2621. DOI： 10.37188/OPE.20202812.2614.

DAI Zhi-cheng,GU Yan,ZHANG Xiu-mei,et al.AlGaN solar-blind ultraviolet avalanche photodiodes with high multiplication gain[J].Optics and Precision Engineering,2020,28(12):2614-2621. DOI： 10.37188/OPE.20202812.2614.

摘要

本文设计了一种具有低Al组分p型渐变Al

N层和高/低Al组分AlGaN倍增层的背入射式p-i-n-i-n吸收倍增区分离的特殊AlGaN日盲紫外雪崩光电二极管（Avalanche Photodiode， APD），并插入AlN/Al

0.64

0.36

N 分布式布拉格反射器来改善APD的日盲响应。为了在实验条件下生长出特殊设计的AlGaN APD，用Atlas-Silvaco仿真软件对该器件结构进行仿真，并用常规结构APD作为参照。研究结果表明，特殊设计的APD比常规的APD表现出更好的光电特性。由于设计的APD拥有更高的空穴碰撞电离系数并同时产生了与外加电场同方向的高极化电场，所以相比于常规的APD，本文设计的APD的雪崩倍增增益为6.11×10

，提高了10倍，同时雪崩击穿电压显著降低。设计的APD的光电特性良好，为生长AlGaN基APD提供了坚实的理论基础。

Abstract

A back-illuminated p-i-n-i-n separate absorption and multiplication （SAM） solar-blind ultraviolet AlGaN avalanche photodiode （APD） with a low-Al-content p-graded Al

N layer and a high/low-Al-content AlGaN multiplication layer was designed. Simultaneously， an AlN/Al

0.64

0.36

N distributed Bragg reflector （DBR） structure was inserted to improve the solar-blind photo-response of the designed APD. To fabricate a specially designed AlGaN APD under experimental conditions， the rationality of the device structure needs to be verified in advance. Therefore， the designed APD was simulated using Atlas-Silvaco simulation software， and a conventional APD structure was used as a reference. The simulation results indicate that the designed APD exhibits enhanced optoelectronic characteristics in comparison to a conventional APD， which is attributed to the higher hole-initiated impact ionization coefficient and polarization electric field generated in the same direction as the applied bias field of the designed APD. The designed APD exhibits a 10-fold avalanche gain， which is 6.11×10

， and reduced avalanche breakdown voltage compared with a conventional APD. Moreover， the designed APD exhibits good optoelectronic characteristics， and will provide a solid theoretical basis for the further development of AlGaN-based APDs.

关键词

Keywords

references

JEOMOH K ， MI-HEE J ， THEERAEDTCH D ， et al . . Comparison of AlGaN p-i-n ultraviolet avalanche photodiodes grown on free-standing GaN and sapphire substrates ［J］. Applied Physics Express ， 2015 ， 8 （ 12 ）： 122202 .

拜晓锋，杨书宁，侯志鹏，等 . 紫外光阴极辐射灵敏度的测量误差［J］. 光学精密工程， 2017 ， 25 （ 6 ）： 1425 - 1432 .

BAI X F ， YANG SH N ， HOU ZH P ， et al . . Measurement errors of ultraviolet photocathode radiant sensitivity ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2017 ， 25 （ 6 ）： 1425 - 1432 . （in Chinese）

王继强，许金通，王玲，等 . AlGaN基日盲紫外探测器成像系统设计与实现［J］. 光学与光电技术， 2018 ， 16 （ 6 ）： 45 - 49 .

WANG J Q ， XU J T ， WANG L ， et al . . Design and implementation of ultraviolet imaging system based on solar-blind AlGaN focal plane arrays ［J］. Optics & Optoelectronic Technology ， 2018 ， 16 （ 6 ）： 45 - 49 . （in Chinese）

葛张峰，余晨辉，陈鸣，等 . AlGaN日盲紫外雪崩光电探测器暗电流研究［J］. 红外与激光工程， 2018 ， 47 （ 9 ）： 192 - 198 .

GE ZH F ， YU CH H ， CHEN M ， et al . . Research on dark current of AlGaN solar-blind ultraviolet avalanche photodetectors ［J］. Infrared and Laser Engineering ， 2018 ， 47 （ 9 ）： 192 - 198 . （in Chinese）

殷长帅，周剑，刘翊，等 . 声表面紫外光探测器的研究进展［J］. 光学精密工程， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1433 - 1445 .

YIN CH SH ， ZHOU J ， LIU Y ， et al . . Research progress of surface acoustic wave ultraviolet detectors ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2020 ， 28 （ 7 ）： 1433 - 1445 . （in Chinese）

王淑荣，郭劲，王挺峰 . 高精度紫外标准探测器的定标［J］. 光学精密工程， 2012 ， 20 （ 8 ）： 1696 - 1703 .

WANG SH R ， GUO J ， WANG T F . Calibration of high accuracy UV standard detector ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2012 ， 20 （ 8 ）： 1696 - 1703 . （in Chinese）

ZHANG S K ， WANG W B ， DABIRAN A M ， et al . . Avalanche breakdown and breakdown luminescence of AlGaN multiquantum wells ［J］. Applied Physics Letters ， 2005 ， 87 （ 26 ）： 262113 .

REDDY P ， HAYDEN B M ， GUO Q ， et al . . High gain， large area， and solar blind avalanche photodiodes based on Al-rich AlGaN grown on AlN substrates ［J］. Applied Physics Letters ， 2020 ， 116 （ 8 ）： 081101 .

HAHN L ， FUCHS F ， KIRSTE L ， et al . . Avalanche multiplication in AlGaN-based heterostructures for the ultraviolet spectral range ［J］. Applied Physics Letters ， 2018 ， 112 （ 15 ）： 151102 .

WANG F X . Theoretical study of back-illuminated separated absorption and multiplication AlGaN APDs with different structural parameters ［J］. Optical and Quantum Electronics ， 2017 ， 49 （ 6 ）： 216 .

YU C H ， GE Z F ， CHEN X Y ， et al . . Polarization and p-type doping effects on photoresponse of separate absorption and multiplication AlGaN solar-blind avalanche photodiodes ［J］. Optical and Quantum Electronics ， 2018 ， 50 （ 2 ）： 113 .

YAO C J ， YE X C ， SUN R ， et al . . High-performance AlGaN-based solar-blind avalanche photodiodes with dual-periodic III-nitride distributed Bragg reflectors ［J］. Applied Physics Express ， 2017 ， 10 （ 3 ）： 034302 .

CAI Q ， DONG K X ， XIE Z L ， et al . . Enhanced front-illuminated p-i-p-i-n GaN/AlGaN ultraviolet avalanche photodiodes ［J］. Materials Science in Semiconductor Processing ， 2019 ， 96 ： 24 - 29 .

SHAO Z G ， YANG X F ， YOU H F ， et al . . Ionization-enhanced AlGaN heterostructure avalanche photodiodes ［J］. IEEE Electron Device Letters ， 2017 ， 38 （ 4 ）： 485 - 488 .

BELLOTTI O ， BERTAZZI F ， SHISHEHCHI S ， et al . . Theory of carriers transport in III-Nitride materials： state of the art and future outlook ［J］. IEEE Transactions on Electron Devices ， 2013 ， 60 （ 10 ）： 3204 - 3215 .

SHAO Z G ， YANG X F ， YOU H F ， et al . . Significant performance improvement in AlGaN solar-blind avalanche photodiodes by exploiting built-in polarization electric field ［J］. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics ， 2014 ， 20 （ 6 ）： 187 - 192 .

SUN L ， CHEN J L ， LI J F ， et al . . AlGaN solar-blind avalanche photodiodes with high multiplication gain ［J］. Applied Physics Letters ， 2011 ， 97 （ 19 ）： 1103 .

ZHANG J P ， WANG H M ， GAEVSKI M E ， et al . . Crack-free thick AlGaN grown on sapphire using AlN/AlGaN superlattices for strain management ［J］. Applied Physics Letters ， 2002 ， 80 （ 19 ）： 3542 - 3544 .

MOE C G ， WU Y ， PIPREK J ， et al . . AlGaN/AlN distributed Bragg reflectors for deep ultraviolet wavelengths ［J］. Physica Status Solidi （a）， 2006 ， 203 （ 8 ）： 1915 - 1919 .

朱帅宇，谢生，陈宇 . 三级台面InGaAs/InP 雪崩光电二极管的低边缘电场设计［J］. 光子学报， 2018 ， 47 （ 4 ）： 0423002 .

ZHU SH Y ， XIE SH ， CHEN Y . Design of triple-mesa InGaAs/InP avalanche photodiode with low edge electric field ［J］. Acta Photonica Sinica ， 2018 ， 47 （ 4 ）： 0423002 . （in Chinese）

MCCLINTOCK R ， YASAN A ， MINDER K ， et al . . Avalanche multiplication in AlGaN based solar-blind photodetectors ［J］. Applied Physics Letters ， 2005 ， 87 （ 24 ）： 241123 .

HOU M J ， QIN Z X ， HE C G ， et al . . Study on AlGaN P-I-N-I-N solar-blind avalanche photodiodes with Al 0.45 Ga 0.55 N multiplication layer electron ［J］. Electronic Materials Letters ， 2015 ， 11 （ 6 ）： 1053 - 1058 .

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