提升InGaAs/InPAPD性能的最直接方法是使用比InP的k值更小的材料作为倍增层，从而降低器件的等效噪声并提高器件的增益带宽积。Si是一种间接带隙半导体材料，其k值小，对雪崩击穿的温度依赖性非常低，但是其禁带宽度（1.12eV）不适用于近红外波段的吸收探测，因此需要结合其他半导体材料如Ge、InGaAs等制备APD。以Si为倍增区的器件等效噪声较小，故InGaAs/SiAPD成为近红外探测的理想选择之一。InGaAs和Si的晶格失配度高达7.7%，导致器件暗电流较大，雪崩倍增受到限制，增益带宽积难以进一步提高，因此采用外延技术难以获得低穿透位错密度的InGaAs/Si界面。采用低温键合技术可以有效降低InGaAs和Si间失配晶格对器件性能的影响，获得更大的增益带宽积、更低的噪声和更好的温度特性，但是InGaAs/SiAPD中用于调制电场的电荷层的制备涉及离子注入和高温退火激活，工艺繁琐、杂质分布不均匀、成本高。
本文提出一种无电荷层InGaAs/SiAPD器件结构，即利用刻蚀技术在Si倍增层内制备凹槽环并填充不同的介质，以调制InGaAs层与Si层的内部电场，使得InGaAs处于低电场状态，而Si倍增层处于高电场状态。重点仿真分析了APD键合界面凹槽环内不同介质对APD暗电流、光电流、载流子复合率、载流子浓度、碰撞电离率、增益、3dB带宽、载流子速率以及增益带宽积等的影响。
图1?无电荷层InGaAs/SiAPD的三维结构图
InGaAs/SiAPD涉及载流子的输运，因此需要引入泊松方程［式（1）］、电流连续方程［式（2）~（5）］以及依赖于平行电场的载流子迁移模型［式（6）、（7）］，而APD涉及载流子的产生与复合，因此需要引入的复合模型有俄歇复合模型［式（8）］、由浓度决定的SRH复合模型［式（9）］、光学辐射复合模型［式（10）］、缺陷辅助俄歇复合模型［式（11）、（12）］。APD需要工作在高电场下，此时电场会发生倾斜，导致载流子容易从价带隧穿到导带或从导带隧穿到价带，因此需要引入标准能带跃迁模型［式（13）］和Trap-Assisted跃迁模型［式（14）］，以更好地描述载流子在能带之间的跃迁。APD在高电场下的势垒可能会降低，因此需要使用库仑势阱Poole-Frenkel势垒降低模型［式（15）、（16）］对InGaAs/SiAPD器件性能进行理论计算。泊松方程表示为：
式中：ε表示介电常数；ψ表示静电势能；ρ表示电荷的体密度。电流连续方程表示为:
式中：Jn和Jp表示电子和空穴的电流密度；Gn和Gp表示电子和空穴的产生速率；Rn和Rp表示电子和空穴的复合率；q、μn和μp分别表示单位电子电荷量、电子的迁移率和空穴的迁移率；n表示电子浓度；p表示空穴浓度；Φn表示n型半导体的准费米能级；Φp表示p型半导体的准费米能级。依赖于平行电场的载流子迁移模型表示为:
式中：μn(E)和μp(E)表示平行电场中电子迁移率和空穴迁移率；E表示电场大小；μn0和μp0分别表示低电场电子迁移率和空穴迁移率；νn和νp为电子和空穴饱和速率；aBETAN与aBETAP为设置参数。俄歇复合模型表示为:
式中：An和Ap分别为电子和空穴的俄歇系数；nie为本征载流子浓度；p和n分别为空穴浓度和电子浓度。由浓度决定的SRH复合模型表示为：
式中：τp0和τn0分别为空穴寿命和电子寿命；TL为开尔文晶格温度；ETRAP表示陷阱能级和本征费米能级之间的差值。光学辐射复合模型表示为:
式中：为捕获率。缺陷辅助俄歇复合模型表示为：
式中：τn和τp为电子寿命和空穴寿命；n0为电子密度；p0为空穴密度；αTAA.CN和αTAA.CP默认值为1.0×10-12cm3/s。标准能带跃迁模型表示为:
式中：GBBT为遂穿率；D表示统计因子；ξBB.A=9.6615×1018cm-1·V-2·s-1；ξBB.B=3.0×107V/cm；ξBB.GAMMA=2.0。Trap-Assisted跃迁模型表示为:
式中：表示狄拉克井的空穴场效应增强项；表示狄拉克井的电子场效应增强项。库仑势阱Poole-Frenkel势垒降低模型表示为:
式中：χF表示Poole-Frenkel热辐射增强因子；表示库仑场增强项。
图2?凹槽环内不同介质对无电荷层InGaAs/SiAPD的影响。（a）电流；（b）95%Vb下的电流；（c）雪崩电压
图3?无电荷层InGaAs/SiAPD复合率随介质的变化。（a）复合率结构切面图；（b）在X=16.229处截取的复合率曲线
再次，模拟了InGaAs/SiAPD在结构切面X=16.229处的能带随键合界面凹槽环内介质的变化，结果如图5所示。对比图5（a）、（b）可以看出，APD在键合界面处导带无带阶，而界面处的价带存在明显带阶，导致载流子在界面处难以运输，而空穴在界面处大量堆积。同时，还模拟了电荷浓度随键合界面凹槽环内介质的变化，结果如图5（c）所示。可以看到，电荷浓度在键合界面处急剧升高，表明载流子在带阶作用下发生了严重堆积。随着键合界面凹槽环内介质介电常数的增加，InGaAs层内导带逐渐平缓，且当介电常数较大时，导带在键合界面处发生向下弯曲，并逐渐在键合界面处形成一个势垒来阻碍载流子的输运，导致InGaAs层内电子难以输运到倍增层。随着介电常数的增加，价带逐渐变得平缓，介电常数较高时，价带在键合界面处逐渐弯曲上翘，阻碍空穴迁移。
图4?无电荷层InGaAs/SiAPD电子浓度和空穴浓度随介质的变化。（a）结构切面的电子浓度；（b）结构切面的空穴浓度；（c）在X=16.229处的电子浓度；（d）在X=16.229处的空穴浓度
图5?凹槽环内不同介质对无电荷层InGaAs/SiAPD的影响。（a）键合界面导带；（b）键合界面价带；（c）电荷浓度
图6?凹槽环内不同介质对无电荷层InGaAs/SiAPD的影响。（a）结构切面的碰撞电离率（RIIR）；（b）在X=16.229处的碰撞电离率；（c）在X=16.229处的电子离化系数；（d）在X=16.229处的空穴离化系数
图7?无电荷层InGaAs/SiAPD电场随介质的变化。（a）结构切面的电场；（b）在X=16.229处的电场
最后，提取了APD的增益随键合界面凹槽环内介质的变化，结果如图8所示。图8（a）所示为不同偏压下增益的整体变化，增益随着反向偏压的增加呈现由平缓转向急剧上升的趋势。图8（b）所示为95%雪崩电压下增益随凹槽环内介质的介电常数增加的趋势，随着介质介电常数增加，增益整体呈现减小趋势，主要是因为随着介质介电常数的增加，倍增区电场强度逐渐下降，导致载流子碰撞电离效应减弱，进而导致增益下降。
图8?无电荷层InGaAs/SiAPD增益随介质的变化。（a）增益曲线；（b）95%Vb下的增益
带宽是表征APD性能的重要参数之一，图9所示
图9?无电荷层InGaAs/SiAPD3dB带宽曲线
图10?X=16.229处的无电荷层InGaAs/SiAPD电子速率和空穴速率随介质的变化。（a）电子速率；（b）空穴速率
此外，还模拟了键合界面凹槽环内不同介质对无电荷层InGaAs/SiAPD增益带宽积的影响，结果如图11所示。当偏压为35V时，随着介质介电常数的增加，增益带宽积基本呈下降趋势；随着偏压增大，增益带宽积基本呈增加趋势。且当凹槽环内介质为空气，反向偏压等于雪崩电压（35.2V）时，增益带宽积达到100GHz。
图11?无电荷层InGaAs/SiAPD增益带宽积与目前报道的APD相比，该增益带宽积处于中等水平。综上所述，所提出的无电荷层APD结构通过凹槽环实现电场调控，器件暗电流可以达到极低水平，带宽也可以达到10GHz以上。遗憾的是，该结构的增益水平欠佳，导致增益带宽积不理想。
分析Si倍增层凹槽环内填充的介质对无电荷层InGaAs/SiAPD的影响。研究表明，随着不同介质介电常数的增加，在同一偏压下，光电流和暗电流均呈下降趋势。其中介质材料为空气或SiO2的InGaAs/SiAPD在达到雪崩电压后，光电流和暗电流最终重合，具有最优良的电流特性。随着介质介电常数的增加，在同一偏压下，增益带宽积基本呈下降趋势；器件雪崩后，增益带宽积呈现先增加后减小的趋势；当凹槽环内介质为空气且反向偏压为35.2V时，增益带宽积达到100GHz。综上，采用凹槽环替代电荷层，构造无电荷层InGaAs/SiAPD，不需要注入离子，工艺简单，同时在凹槽环内填充空气可获得最佳的器件性能，这一新构型为设计工艺简单的高性能nGaAs/SiAPD提供了新思路。