雪崩光电器件过剩噪声分析

张 冰,郭雪凯,胡从振,辛有泽,于善哲,雷述宇

(1.西安交通大学微电子学院,陕西 西安 710049；2.宁波飞芯电子科技有限公司,浙江 宁波 315000；3.北京大学微纳加工国家重点实验室,北京 100871)

1 引 言

雪崩光电器件因带宽大、灵敏度高的优点广泛应用于高速光通信网络和低光功率探测领域。依据器件工作模式的差异,雪崩器件又分为雪崩二级管器件(APD)和单光子雪崩二级管器件(SPAD)[1]。雪崩倍增的同时,因电子空穴的碰撞离化过程,会引入过剩噪声,常采用过剩噪声因子F[2]作为评价过剩噪声的性能参数。针对过剩噪声的研究,前人的成果[3-5]表明:过剩噪声因子与触发雪崩的载流子类型(电子触发或空穴触发)、器件的雪崩倍增因子M和离化率比值k有关。此类文章在分析过剩噪声因子时,仅仅聚焦于光子吸收发生在中性体区(N型中性体区或P型中性体区)情况下的过剩噪声,即单独考虑电子注入或者空穴注入下的过剩噪声因子,忽略了耗尽区内的光吸收情况。也有些学者在文章中[6]提到:光吸收发生在雪崩区域内时,因经历的高电场区域变小,碰撞路径变短等因素,雪崩增益会降低,使得增益的波动变大,导致过剩噪声增加。此类文章虽提及了耗尽区内的光吸收,但并未给出耗尽区内过剩噪声因子的分布模型。

无论是雪崩增益还是过剩噪声因子,载流子的碰撞行为是分析和推导模型的基础。载流子在电场驱使下发生碰撞,遵循Branch process[7]过程,运动随机距离后,获得足够的能量与晶格发生碰撞。……