[PDF]    http://dx.doi.org/10.3952/lithjphys.46416

Open access article / Atviros prieigos straipsnis

Lith. J. Phys. 46, 475–482 (2006)


PHOTOSENSITIVITY AND NOISE OF ULTRAFAST InGaAs/InP AVALANCHE PHOTODIODES
J. Matukasa, V. Palenskisa, S. Pralgauskaitėa, R. Gadonasb, R. Purlysc, A. Čiburysb, and A. Vizbarasa
aRadiophysics Department, Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: jonas.matukas@ff.vu.lt, vilius.palenskis@ff.vu.lt, sandra.pralgauskaite@ff.vu.lt, augustinas.vizbaras@ff.vu.lt
bDepartment of Quantum Electronics, Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: roaldas.gadonas@ff.vu.lt, arunas.ciburys@ff.vu.lt
 cDepartment of Solid State Electronics, Faculty of Physics, Vilnius University, Saulėtekio 9, LT-10222 Vilnius, Lithuania
E-mail: romaldas.purlys@ff.vu.lt

Received 22 November 2006

A detailed investigation of photosensitivity and noise characteristics of ultrafast InGaAs / InP avalanche photodiodes with separate absorption, grading, charge, and multiplication regions was carried out. Carrier multiplication and noise factors were evaluated, and influence of the ionizing radiation to the avalanche photodiode operation quality was investigated. Carrier multiplication and noise factors can be correctly evaluated only if input light beam is well focused to the active photodiode area since the peripheral area is quite sensitive to the infrared radiation, too. Photodiode irradiation by X-ray radiation can lower the defect density in the device structure or create new defects depending on radiation power and duration. Noise characteristics not only clarify fundamental physical processes in avalanche photodiode structure, but also indicate the presence and appearance of defects in the devices.
Keywords: avalanche photodiode, multiplication, noise, photosensitivity
PACS: 85.60.Dw, 07.50.Hp


YPAČ SPARČIŲ InGaAs/InP GRIŪTINIŲ FOTODIODŲ FOTOJAUTRIS IR TRIUKŠMAI
J. Matukas, V. Palenskis, S. Pralgauskaitė, R. Gadonas, R. Purlys, A. Čiburys, A. Vizbaras
Vilniaus universitetas, Vilnius, Lietuva

Atlikti sparčiųjų InGaAs / InP griūtinių fotodiodų su atskiromis sugerties ir krūvininkų dauginimo sritimis fotojautrio ir triukšmo charakteristikų tyrimai, įvertinti krūvininkų dauginimo ir triukšmo faktoriai. Taip pat ištirtas jonizuojančios spinduliuotės poveikis griūtinių fotodiodų charakteristikoms.
Nustatyta, kad tirtųjų fotodiodų paviršiaus periferinė sritis yra jautri infraraudonajai spinduliuotei, todėl krūvininkų dauginimo ir triukšmo faktoriai teisingai įvertinami tik tada, kai apšviečiama tik aktyvioji sritis – krentanti spinduliuotė turi būti sufokusuota į dėmę, ne didesnę nei aktyviosios srities matmenys. Eksperimentinė triukšmo faktoriaus priklausomybė nuo krūvininkų dauginimo faktoriaus sutampa su teorine, kai efektyvusis elektronų ir skylių jonizacijos faktorių santykis kef = 0,45.
Griūtinių fotodiodų įtampos fliuktuacijas lemia šratinio, generacinio-rekombinacinio ir 1/f triukšmo superpozicija. Kol atgalinė įtampa neviršija pradūros įtampos, vyrauja šratinis ir 1/f triukšmas. Prasidėjus griūtiniam krūvininkų dauginimui, aktyviojoje srityje išauga šratinio triukšmo lygis. Periferinėje srityje bei aktyviosios srities riboje su periferine sritimi stebimas intensyvus generacinis-rekombinacinis triukšmas.
Tam tikrą laiko tarpą švitinant fotodiodą tam tikros galios Rentgeno spinduliuote, sumažėja defektų skaičių darinyje – pagerėja fotodiodo charakteristikos: sumažėja tamsinė srovė bei 1/f triukšmo intensyvumas. Tačiau per ilgai arba pakartotinai švitinant fotodiodus, defektų tankis padidėja, fotodiodo charakteristikos pablogėja. Triukšmo charakteristikų tyrimai ne tik atskleidžia fundamentinius fizikinius vyksmus, nulemiančius krūvininkų pernašą bei dauginimą griūtinio fotodiodo darinyje, bet taip pat leidžia įvertinti įvairių defektų buvimą bei jų kitimą fotodiodo darinyje, jų įtaką fotodiodo kokybei bei senėjimo procesams. 


References / Nuorodos

[1] L.E. Tarof, Planar In/InGaAs avalanche photodetectors with gain-bandwidth product in excess of 100 GHz, Electron. Lett. 27, 34-36 (1991).
https://doi.org/10.1049/el:19910023
 
[2] L.E. Tarof, J. Yu, R. Bruce, D.G. Knight, T. Baird, and B. Oosterbrink, High frequency performance of separate absorption, grading, charge, and multiplication InP / InGaAs avalanche photodiodes, IEEE Photon. Technol. Lett. 5, 672-674 (1993).
https://doi.org/10.1109/68.219706
 
[3] V. Palenskis, Flicker noise problem (review), Lithuanian Phys. J. 30, 107-152 (1990).
 
[4] B.K. Jones, Electrical noise as a measure of quality and reliability in electronic devices, Adv. Electron. Electron. Phys. 87, 201-257 (1994).
https://doi.org/10.1016/S0065-2539(08)60017-7
 
[5] J. Matukas, V. Palenskis, S. Pralgauskaite, and A. Vizbaras, Photosensitivity and noise characteristics investigation of ultrafast InGaAsP/InP avalanche photodetectors, in: Proceedings of the XVI International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications (Krakow, 2006) pp. 173-176.
https://doi.org/10.1109/MIKON.2006.4345132
 
[6] X. Zhao, M.J. Deen, and L. Tarof, Low-frequency noise in separate absorption, grading, charge and multiplication (SAGCM) avalanche photodiodes, Electron Lett. 32, 250-252 (1996).
https://doi.org/10.1049/el:19960173
 
[7] S. An and M.J. Deen, Low-frequency noise in single growth planar separate absorption, grading, charge and multiplication avalanche photodiodes, IEEE Trans. Electron. Devices 47, 537-543 (2000).
https://doi.org/10.1109/16.824724
 
[8] R.J. McIntyre, Multiplication noise in uniform avalanche diodes, IEEE Trans. Electron. Devices 13, 164-168 (1966).
https://doi.org/10.1109/T-ED.1966.15651
 
[9] R.J. McIntyre, The distribution of gains in uniformly multiplying avalanche diodes: Theory, IEEE Trans. Electron. Devices 19, 703-713 (1972).
https://doi.org/10.1109/T-ED.1972.17485
 
[10] R.J. McIntyre, A new look at impact ionization - Part I: A theory of gain, noise, breakdown probability, and frequency response, IEEE Trans. Electron. Devices 46, 1623-1631 (1999).
https://doi.org/10.1109/16.777150
 
[11] P. Yuan, K.A. Anselm, C. Hu, H. Nie, C. Lenox, A.L. Holmes, B.G. Streetman, J.C. Campbell, and R.J. McIntyre, A new look at impact ionization - Part II: Gain and noise in short avalanche diodes, IEEE Trans. Electron. Devices 46, 1632-1639 (1999).
https://doi.org/10.1109/16.777151
 
[12] T. Takanohashi, T. Shirai, S. Yamazaki, S. Komiya, and I. Umebu, Inhomogeneous distribution of avalanche multiplication on InP APDs, Japan J. Appl. Phys. 23, 270-271 (1984).
https://doi.org/10.1143/JJAP.23.270
 
[13] N. Magnea, P.M. Petroff, F. Capasso, R.A. Logan, and P.W. Foy, Microplasma characteristics in LPE grown InP-In0.53Ga0.47 long wavelength avalanche photodiodes with separated multiplication and absorption regions, Appl. Phys. Lett. 46, 1074-1076 (1985).
https://doi.org/10.1063/1.95855
 
[14] V. Palenskis, J. Matukas, D. Stučinskas, K.A. Kaminskas, and E. Žitkevičius, Investigation of noise in InGaAs/InP-based separate absorption and multiplication avalanche photodiodes, Lithuanian J. Phys. 45, 385-390 (2003).
 
[15] Y.K. Jhee, J.C. Campbell, W.S. Holden, A.G. Dental, and J.K. Plourde, The effect of nonuniform gain on the multiplication noise of InP / InGaAsP / InGaAS, IEEE J. Quantum Electron. 21, 1858-1861 (1985).
https://doi.org/10.1109/JQE.1985.1072608