Лавинные фотодиоды на гетероструктурах InAlAs/InGaAs с сульфидно- полиамидной пассивацией меза-структуры

Малеев Н.А., Кузьменков А.Г., Кулагина М.М., Гусева Ю.А., Васильев А.П., Блохин С.А., Бобров М.А., Трошков С.И., Андрюшкин В.В., Колодезный Е.С., Бугров В.Е., Устинов В.М.

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Малеев Н.А., Кузьменков А.Г., Кулагина М.М., Гусева Ю.А., Васильев А.П., Блохин С.А., Бобров М.А., Трошков С.И., Андрюшкин В.В., Колодезный Е.С., Бугров В.Е., Устинов В.М. Лавинные фотодиоды на гетероструктурах InAlAs/InGaAs с сульфидно-полиамидной пассивацией меза-структуры // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 11. С. 54–60. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-54-60

Maleev N.A., Kuzmenkov A.G., Kulagina M.M., Guseva Yu.A., Vasiljev A.P., Blokhin S.A., Bobrov M.A., Troshkov S.I., Andryushkin V.V., Kolodeznyi E.S., Bougrov V.E., Ustinov V.M. Avalanche photodiodes based on InAlAs/InGaAs heterostructures with sulfide–polyamide passivation of mesa structures [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 11. P. 54–60. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-11-54-60

Ссылка на англоязычную версию:

N. A. Maleev, A. G. Kuzmenkov, M. M. Kulagina, Yu. A. Guseva, A. P. Vasil’ev, S. A. Blokhin, M. A. Bobrov, S. I. Troshkov, V. V. Andryushkin, E. S. Kolodeznyi, V. E. Bougrov, and V. M. Ustinov, "Avalanche photodiodes based on InAlAs/InGaAs heterostructures with sulfide–polyamide passivation of mesa structures," Journal of Optical Technology. 89(11), 677-680 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000677

Аннотация:

Предмет исследования. Метод сульфидно-полиамидной пассивации поверхности меза-структуры InAlAs/InGaAs лавинных фотодиодов и исследования статических характеристик созданных кристаллов InAlAs/InGaAs лавинных фотодиодов. Цель работы. Исследование влияния сульфидно-полиамидной пассивации поверхности меза-структуры на основные характеристики лавинного фотодиода. Метод. Сульфидно-полиамидная пассивация поверхности меза-структуры представляет собой обработку поверхности в водном растворе сульфида аммония с последующей защитой слоем полиамида АД-9103-30. Основные результаты. Созданы и исследованы лавинные фотодиоды на основе гетероструктур InAlAs/InGaAs. Поверхность меза-структуры лавинных фотодиодов была подвергнута сульфидно-полиамидной пассивации. Кристаллы лавинных фотодиодов с диаметром активной области 32 мкм воспроизводимо обеспечивали уровни темнового тока 10–20 нА при приложенном напряжении 0,9 от напряжения пробоя, однородное распределение значения пробивного напряжения по площади образца и долговременную стабильность характеристик. Спектральная чувствительность приборов в области 1550 нм составляет 0,85–0,88 А/Вт, а емкость — 0,11–0,12 пФ. Важным требованием к технологии пассивации является обеспечение воспроизводимости и долговременной стабильности характеристик. Измерения характеристик кристаллов лавинных фотодиодов с сульфидно-полиамидной пассивацией,выполненные с интервалом в шесть месяцев, подтверждают временнýю стабильность темнового тока на уровне 5%. Практическая значимость. Предложенный в работе вариант пассивации поверхности меза-структуры InAlAs/InGaAs лавинных фотодиодов с использованием обработки в водном растворе сульфида аммония и последующей защиты слоем полиамида АД-9103-30 может быть использован для создания лавинных фотодиодов с воспроизводимым низким уровнем темновых токов.

Ключевые слова:

гетероструктура, лавинный фотодиод, пассивация, меза-структура

Благодарность:

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, проект тематики научных исследований № 2019-1442.

Коды OCIS: 250.1345, 130.5990

Список источников:

1. Goh Y.L., Marshal A.R.J., Massey D.J., et al. Excess avalanche noise in In0.52Al0.48As // IEEE J. Quantum Electron. 2007. V. 43. № 5–6. P. 503–507. DOI: 10.1109/JQE.2007.897900
2. Tan L.J.J., Ong D.S.G., Ng J.S., et al. Temperature dependence of avalanche breakdown in InP and InAlAs // IEEE J. Quantum Electron. 2010. V. 46. № 8. P. 1153–1157. DOI: 10.1109/JQE.2010.2044370
3. Abdulwahid O.S., Sexton J., Kostakis I., et al. Physical modelling and experimental characterisation of InAlAs/InGaAs avalanche photodiode for 10 Gb/s data rates and higher // IET Optoelectronics. 2018. V. 12. № 1. P. 5–10. DOI: 10.1049/iet-opt.2017.0068
4. Huang J.J.S., Chang H.S., Jan Y.H., et al. Highly reliable, cost-effective and temperature-stable topilluminated avalanche photodiode (APD) for 100G inter-datacenter ER4-lite applications // Photoptics. 2018. P. 119–124. DOI: 10.5220/0006510601190124
5. Ma Y., Zhang Y., Gu Y., et al. Impact of etching on the surface leakage generation in mesa-type InGaAs/InAlAs avalanche photodetectors // Opt. Exp. 2016. V. 24. № 7. P. 7823–7834. DOI: 10.1364/OE.24.007823
6. Zhou Y., Ji X., Shi M., et al. Impact of SiNx passivation on the surface properties of InGaAs photo-detectors // J. Appl. Phys. 2015. V. 118. № 3. P. 034507. DOI: 10.1063/1.4926736
7. Liu J.J., Ho W.J., Chen J.Y., et al. The fabrication and characterization of InAlAs/InGaAs APDs based on a mesa-structure with polyimide passivation // Sensors. 2019. V. 19. № 15. P. 3399. DOI: 10.3390/s19153399
8. Yuan Y., Li Y., Abell J., et al. Triple-mesa avalanche photodiodes with very low surface dark current // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 16. P. 22923–22929. DOI: 10.1364/OE.27.022923
9. Li B., Lv Q.Q., Cui R., et al. A low dark current mesa-type InGaAs/InAlAs avalanche photodiode // IEEE Photonics Technol. Lett. 2014. V. 27. № 1. P. 34–37. DOI: 10.1109/LPT.2014.2361202

10. Ravi M.R., DasGupta A., DasGupta N. Silicon nitride and polyimide capping layers on InGaAs/InP PIN photodetector after sulfur treatment // J. Crystal Growth. 2004. V. 268. № 3–4. P. 359–363. DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2004.04.054
11. Sheela D., DasGupta N. Optimization of surface passivation for InGaAs/InP PIN photodetectors using ammonium sulfide // Semiconductor Sci. and Technol. 2008. V. 23. № 3. P. 035018. DOI: 10.1088/0268-1242/23/3/035018
12. Chen J., Zhang Z., Zhu M., et al. Optimization of InGaAs/InAlAs avalanche photodiodes // Nanoscale Research Lett. 2017. V. 12. № 1. P. 1–6. DOI: 10.1186/s11671-016-1815-9
13. Chen L., Haifeng Y., Yanli S. Advances in near-infrared avalanche diode single-photon detectors // Chip. 2022. P. 100005. DOI: 10.1016/j.chip.2022.100005
14. Liu Y., Forrest S.R., Hladky J., et al. A planar InP/InGaAs avalanche photodiode with floating guard ring and double diffused junction // J. Lightwave Technol. 1992. V. 10. № 2. P. 182–193. DOI: 10.1109/50.120573
15. Малеев Н.А., Кузьменков А.Г., Кулагина М.М. и др. Грибовидная меза-структура для лавинных фотодиодов на гетероструктурах InAlAs/InGaAs // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47. № 21. С. 36–38. DOI:10.21883/PJTF.2021.21.51627.18939
16. Zheng X.G., Hsu J.S., Hurst J.B., et al. Long-wavelength In0.53/Ga0.47/As-In0.52/Al0.48/As large-area avalanche photodiodes and arrays // IEEE J. Quantum Electron. 2004. V. 40. № 8. P. 1068–1073. DOI:10.1109/JQE.2004.831637
17. Meng X., Xie S., Zhou X., et al. InGaAs/InAlAs single photon avalanche diode for 1550 nm photons // Royal Society Open Science. 2016. V. 3. № 3. P. 150584. DOI: 10.1098/rsos.150584