가이거모드 InGaAs 아발란치 포토다이오드의 암전류 분석

Abstract

본 논문은 단일광자수준의 매우 약한 빛을 detect하기 위한 Geiger-mode avalanche photodiode(APD)의 암전류에 관한 연구이다. 여러 종류의 단일광자수준의 검출이 가능한 APD중에서도 광통신에 주로 사용되는 파장대역인 1550nm에서 작동할 수 있는 InGaAs를 사용한 APD에 대하여 동작특성의 분석, 실제 소자의 제작과 측정, 암전류 특성을 개선한 구조설계, 단일광자검출에 특화된 구조의 설계와 이론적 분석을 수행하였다. 단일광자검출에 최적화된 구조를 설계하기에 앞서, 기존에 널리 사용되고 있는 APD구조인 separate absorption, grading, charge and multiplication(SAGCM) APD에 대하여 이론적인 분석과, 각각 APD의 electron과 hole의 증폭에 사용되는 물질인 InP와 InAlAs를 증폭층으로 하여 반도체 소자 시뮬레이터인 APSYS를 사용한 시뮬레이션을 수행하였다. 기존 SAGCM 구조는 단일광자검출보다는 높은 전류이득과 동작 주파수에 초점을 맞추어 설계되었기 때문에 단일광자검출 용도로 사용하기에는 부적합한 특성을 가지고 있다. 이러한 기존 구조에서 electron과 hole의 gain, 즉 이득에 제일 큰 영향을 주는 증폭층의 두께를 바꾸어 단일광자검출이 가능한 구조를 설계하였고, 이를 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 실제로 APD epi wafer에 Zinc diffusion을 통하여 증폭층의 두께에 따른 APD소자를 만든 뒤, 각각의 소자에 대해 상온에서의 dark current, responsivity와 저온에서의 dark current, responsivity, 단일광자검출효율을 측정해 보았다. 단일광자검출 측정은 gate mode에서 측정하였으며, 0.1 photon수준의 빛에 대하여 gate frequency 1KHz, gate amplitude 5V, gate width 3ns에서 측정을 진행하였다. Zinc diffusion은 metal organic chemical vapor deposition으로 수행하였으며, 500℃에서 각각 50, 70분간 diffusion한 2가지 sample을 제작하였고 이에 따른 소자 특성 분석을 하였다. 실험을 통한 특성 분석을 바탕으로 암전류 특성을 개선한 단일광자검출용 APD를 설계하였다. 설계한 APD는 thermal generation을 억제한 환경인 -40℃에서 단일광자검출에 특화된 성능을 가지도록 설계되었고, InGaAs 광 흡수층의 전기장 조절을 통하여 Geiger-mode에서 우수한 photo current 대비 dark current 특성을 보였다. 마지막으로, 단일광자검출에 특화된 구조로서 dual multiplication layer 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 InP와 InAlAs 두 종류의 증폭층을 통하여 빛에 의하여 generation된 electron과 hole 두 carrier를 증폭한다. 이를 통하여 Geiger-mode에서 주된 dark current요소인 증폭층에서의 tunneling current을 줄일 수 있으며, electron과 hole중 하나에 의한 검출이 실패하여도 남은 하나에 의한 검출이 가능하다는 장점이 있다.