ＴＣＡＤ模擬結果

本研究所設計出的結構參數如表 4(a)所示，而實際上用來放到ＴＣＡＤ去算而實際上放 到 TCAD 的參數如表 4(b)所示。須注意的是，因為 TCAD 必須設定電荷層參雜濃度與厚度，所 以為了達到 = 4.47 10 C ，將電荷層參雜濃度定為5.9 10 ( )，厚度定為 47nm，如此模擬 =4.47 10 C 的效果。

48 

表 4 (a)設計出的結構參數表 (b)放到 TCAD 的結構參數表 (a)

(b)

本研究以此結構放到ＴＣＡＤ去算，得出的暗電流特性如圖 36 所示

圖 36 ＴＣＡＤ算出的本研究之設計的暗電流特性圖

從圖中可看出，擊穿電壓約為25V，崩潰電壓約為 42V，差異是來自本研究計算崩潰電 壓與擊穿電壓的理論值時，是假設 PN 接面為 Abrupt junction，而 TCAD 的 PN 接面為擴散的 波前，故是一種 gradient junction，所以會需要更大的偏壓來達到相同的倍增層電場分布，

另外，由於理論計算時假設電荷層為一厚度為 0 之薄膜，但放進 TCAD 結構電荷層厚度為 47nm，

此厚度不同導致須多加偏壓才能得到與理論計算相同的倍增層電場分布。

綜合上述兩效應導致 TCAD 計算的崩潰電壓結果較理論計算結果高。

另外，邊緣區 PN 接面處的曲率半徑隨位置關係圖如圖 37(a)所示，在崩潰時邊緣區的電 場分布如圖 37(b) 所示，由此圖可觀察，在曲率半徑最小處，PN 接面處的電場確實比中心區 PN 接面處的電場小，但在 x 座標為 119um 處 PN 接面處的電場卻比中心區大，此是因為此偏 壓時，中心區與部分邊緣區的空乏區被電荷層限制住，而邊緣區被限制部分的空乏區其最大

49 

電場計算方式不同於本研究所推導的邊緣區最大電場計算方式。本研究推導邊緣區最大電場 時，是假設空乏區未被限制，可無限自由延伸，而考慮曲率半徑造成的 PN 接面處的電場變大 來計算。而邊緣區被限制部分的空乏區因與中心區同樣有電荷層的限制，又有曲率半徑造成 的 PN 接面處的電場變大，故其 PN 接面處的電場會比可無限自由延伸的曲率半徑最小處的電 場大，本研究的推倒與設計，雖可使曲率半徑最小處的 PN 接面處電場比中心區 PN 接面處的 電場小，然而仍無法避免邊緣區電場大於中心區的問題。

本研究也做出崩潰電壓時的中心區與被電荷層限制的邊緣區之電場分布如圖 38(b)所示，

圖中可觀察被電荷層限制的邊緣區之電場在倍增層區域都大於中心區之電場，而以電場計算 的離子積分主要由倍增層的電場決定，故被電荷層限制之邊緣區的離子積分必大於中心區的 離子積分，所以崩潰會發生在此處，故本研究之設計仍無法避免邊緣崩潰的發生。

(a)

50 

(b)

圖 37 (a) 邊緣區 PN 接面處的曲率半徑隨位置關係圖(b) 崩潰時邊緣區的電場分布圖

(a)

51 

(b)

圖 38(a) 被電荷層限制的邊緣區電場切面位置示意圖(b)崩潰電壓時的中心區與被電荷 層限制的邊緣區之電場分布圖

52 

第六章 樣品量測結果與分析  

樣品外觀如圖 39 所示，為一片基板上有許多雪崩光偵測器，圖中每一個正方形就 是一個雪崩光偵測器，中間的圓形區域是受光部分，圓形的右上角有一突出區域是金屬測試 點(Pad)，是作為量測時下探針用。每一個正方形左下編號是代表不同的製程條件，而同一編 號從左到右是變化保衛環與中心區的距離，從左到右分別是距離最近到最遠。其結構如圖 40 所示，最底層是硫參雜的 InP 基板，其上面厚度 0.5μm 矽參雜的 InP，再上面是厚度 3 μm 未參雜的 InGaAs 吸收層，再上面是厚度 0.12μm 未參雜的 InGaAsP 層，再上面是厚度 0.2 μm 矽參雜濃度 6.8 10 (1/ )的 InP 電荷層，再上面是厚度 3.5μm 矽參雜濃度

5 10 (1/ )的 InP 層，製程上採用封住整個表面只在保衛環上面開口(如圖 38 中＂1st Zinc diffu＂所指部分上方咖啡色部分中間開口)，然後進行鋅擴散使鋅形成保衛環，再將此 開口封住然後將中間打開(如圖 40 中＂ 2nd Zinc diffu_3E18＂所指部分上方咖啡色部分中 間開口)進行鋅擴散，形成受光層，鋅在InP 中為 P 型參雜，而矽為 N 型參雜，因此鋅擴散區 域的邊界即形成PN 接面。中央受光層與電荷層之間的區域為倍增層，厚度為 0.5μm，參雜 濃度為 5 10 (1/ )。受光層上方有金屬連接到 Pad 作為正電極，可供量測之用。樣品底 部有背電極，為樣品之負極。

圖 39 樣品外觀示意圖 

第二節 量 e Source Un 測低電壓電

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(3)高功率電源監視單元((High Power SMU; HPSMU) a.輸出最高電壓：±200V; 輸出最大電流：±1A。

b. 最大輸出功率：20W。

2.電壓源單元(Voltage Source Unit ; VSU)：

(1)輸出最高電壓：±20V。

(2)只有 20V(1m V 解析度)可用，所以輸出範圍自動設定至 20V。

(3)電流輸出自動設定至±100 mA。

3.電壓監視單元(Voltage Monitor Unit ; VMU)：

電壓監視單元規格如表 5 所示。

表 5 電壓監視單元規格表

4.脈波產生器單元(Pulse Generator Unit ; PGU)：

      (1)脈波產生器單元電壓設定範圍與解析度如表 6 所示。

表 6 脈波產生器單元電壓設定範圍與解析度表

        (2)脈波產生器單元週期、波幅、與延遲時間設定範圍如表 7 所示。

表 7 脈波產生器單元週期、波幅、與延遲時間設定範圍表 

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(3)脈波產生器單元的脈波上升緣與下降緣暫態時間設定範圍如表 8 所示。

表 8 脈波產生器單元的脈波上升緣與下降緣暫態時間設定範圍表

5.接地單元(Ground Unit ; GNDU) (1)電壓：0V。

(2)電流：1.6A。

R

第三節 順偏壓與反偏壓量測結果

(a)

56 

(b)

圖 41 (a) 樣品電流電壓特性圖(b)樣品電壓與增益關係圖

樣品的電流量測結果如圖 41(a)所示，此樣品的電流量測是將樣品放置於銅座上，以 HP-4156A 一組 VSU 接到探針，此 VSU 電位為接地，以此探針接觸銅座，因樣品有背電極故 使負極電位為0V，以 HP-4156A 一組 SMU 接到另一探針點 Pad，加電壓於此探針並量電流，

順偏壓為加正電壓於此探針，反偏壓為加負電壓於此探針。量測時是將樣品放在一有蓋子的 黑箱子中，蓋好蓋子以避免外來光源入侵，再進行量測。暗電流是將此樣品安裝好後蓋好蓋 子直接量測，光電流是將此樣品放好後打開尖峰波長為 1550nm 的紅外光 LED 照射待測的雪 崩光偵測器。而電壓電流量測使用的電壓電流量測儀，其儀器型號為HP-4156A。此樣品的順 偏壓特性為理想因子 1.6，表示仍是以復合-產生電流居多，反偏壓特性的擊穿電壓24.8V，

崩潰電壓37V，基本上符合所要求的規格，但在 0.9 倍崩潰電壓為 33.3V 時的暗電流是 107 nA，

此電流太大，必須再降低，理想是在0.95 倍崩潰電壓時暗電流為 0.5 nA 以下。本研究所量測 的元件受光面積為 0.045 ，與商用規格受光面積為 0.04 的InGaAs APD(型

號:G8931-04)運作偏壓時的暗電流約為 90 nA [25]相比，沒有相差很多。

而本研究算出其V 為 24.8V，V 為 25.4V，V 時之光電流為 79.3nA，由各偏壓時所得 光電流除以V 時之光電流得出樣品電壓與增益關係圖如圖 41(b)所示。可得在 0.9 倍崩潰電 壓(33.3V)時之增益為 4.56，與上述商用規格的運作偏壓時的 gain 約為 10[25]相比，仍有許多 進步空間。

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第四節 電容電壓特性

圖 42 樣品電容電壓特性圖

如圖 42 所示為測量得知的電容電壓關係圖，可由此圖算出每個偏壓時的空乏區大小，在 0V 時，空乏區為 628.77nm，根據此圖 42 可以得出 -V 關係圖如圖 43 所示，根據此圖 43 可 明顯看出 -V 關係圖有兩個不同區域，區域 2 的斜率( )較大，區域 1 較小，此是因為隨 著偏壓加大，空乏區在零偏壓時原本只存在於倍增層、部分受光層與部分電荷層，反偏壓加 大時則空乏區向電荷層延伸，當達到擊穿電壓時則空乏區占滿整個電荷層，開始接觸到低參 雜濃度的緩衝層，所以斜率發生變化。故可由此圖 39 得知擊穿電壓為24.5V，而由電容電壓 關係圖的擊穿電壓的電容值可以推算此時的空乏區寬度為 892.63nm。而隨著位置的參雜濃度 變化可由式(17)推算得知，結果如圖 44 所示，此圖可以得知不同空乏區寬度(W)時，N 參雜 區之空乏區邊緣參雜濃度(N(W))，因此得知參雜濃度隨位置分布狀況。

而由斜率可推算 而以式(17)算出該區域的參雜濃度，以-10V 的 (4.789E+15(1/ )) 和-15V 的 (5.26E+15(1/ ))來算區域 2 的參雜濃度，得出參雜濃度為 1.189 10 (1/ ) 也就是電荷層的參雜濃度。

以-28V 的 (1.036 10 (1/ ))和-29V 的 (1.2375 10 (1/ ))來算區域 1 的參雜濃度，

58 

得出參雜濃度為 5.57 10 (1/ )也就是緩衝層的參雜濃度。

圖 43 樣品 -V 關係圖

圖 44 樣品N(W)-W 關係圖

59 

第七章 結論

本研究推導APD的結構參數與崩潰電壓與光偵測器邊緣區與中心區最大電場的關係，探 討曲率半徑對避免邊緣崩潰的作用，並研究結構參數對崩潰電壓的影響，得出倍增層與吸收 層參雜濃度N 與倍增層厚度變化不劇烈影響崩潰電壓的範圍，倍增層空間電荷量Q 介於3.8 10 C 與4.8 10 C 且N 低於1 10 (1/ )。以Sentaurus TCAD製程模擬 軟體模擬鋅在磷化銦中擴散不同時間的濃度分布，得出PN接面的曲率半徑會隨擴散縱向深度 增加而增加。並且規劃設計符合特定崩潰電壓與擊穿電壓的結構參數的步驟，並實地設計出 一組符合特定規格要求的APD結構參數。量測一APD樣品並分析其電壓、電流、電容特性，

需改善設計使其在0.9倍崩潰電壓時的暗電流需降低，增益須提升。

60 

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