InP衬底上的双载流子倍增雪崩光电二极管结构设计.pdf

InP 衬底上的双载流子倍增雪崩光电二极管结构设计*赵华良1)2)彭红玲2)3)周旭彦2)3)张建心2)5)牛博文1)2)尚肖2)4)王天财3)曹澎3)1)(曲阜师范大学物理工程学院,曲阜273165)2)(潍坊先进光电芯片研究院,潍坊261071)3)(中国科学院半导体研究所,北京100083)4)(山东理工大学物理与光电工程学院,淄博255049)5)(潍坊学院物理与电子信息学院,潍坊261061)(2023年 5月 29 日收到;2023年 7月 28 日收到修改稿)雪崩光电二极管因其具有高的倍增被广泛应用于光通信、激光雷达等各种领域,为了适应极微弱信号探测应用场合,需要器件获得更高的增益值.当前雪崩光电二极管一般采用单载流子倍增方式工作,其倍增效果有限.本文设计了一种电子和空穴同时参与倍增的 InP/In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As 雪崩光电二极管结构,其中吸收层采用 In0.53Ga0.47As 材料,空穴倍增层采用 InP 材料,电子倍增层采用 In0.52Al0.48As 材料,两个倍增层分布在吸收层的上下两侧.采用 SilvacoTCAD 软件对此结构以及传统单倍增层结构进行了模拟仿真,对比单 InP 倍增层结构和单 In0.52Al0.48As 倍增层结构,双倍增层结构在 95%击穿电压下的增益值分别约为前两者的 2.3 倍和 2 倍左右,由于两种载流子在两个倍增层同时参与了倍增,所以器件具有更大的增益值,且暗电流并没有增加,有望提高系统探测的灵敏度.关键词：雪崩光电二极管,微弱信号,双载流子倍增,增益PACS：85.30.z,73.40.Lq,85.60.Gz,42.60.LhDOI:10.7498/aps.72.202308851引言雪崩光电二极管(APD)目前已经广泛应用于商业、军事和科研领域,推动了光通信、成像13和单光子探测46等技术的发展.APD 结构主要经历了分离吸收和倍增(separateabsorptionandmultiplication,SAM)结构79、分离吸收、渐变和倍增(separateabsorption,gradingandmultiplic-ation,SAGM)结构10,11、分离吸收、渐变、电荷和倍 增(separate absorption,grading,charge andmultiplication,SAGCM)结构1214等几个阶段的演变,其中 SAGCM 结构因其性能优越而成为当前使用最广泛的 APD 结构.如果在一种倍增层材料中,电子和空穴碰撞电离系数接近,则会产生较大的过剩噪声15,16,因此为降低 APD 的噪声,在一种倍增层材料中,一般采用单种载流子倍增17,18,例如空穴注入型19结构通常采用 InP 等作为倍增层材料,而电子注入型20,21结构通常采用 In0.52Al0.48As 等作为倍增层材料.正因如此,对于当前各种结构的 APD,在吸收层内产生的光生载流子只有其中一种进入倍增层发生雪崩倍增,另外一种载流子则没有参与倍增.APD 内部能够发生雪崩倍增效应,可以提供*国家重点研发计划(批准号:2018YFE0200900)资助的课题.通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-1更高的灵敏度2224,更适合于对微弱光信号的探测.增益是表征 APD 对光电流放大作用的性能参数,在电场强度一定的条件下,增益的大小由材料的碰撞电离系数以及倍增层的厚度所决定16,25,26,其中增大倍增层厚度虽然可以提高增益,但也会导致响应速度的下降以及过大的击穿电压.因此,目前提高 APD 增益的主要方式是优化制备工艺,以及选择具有更佳碰撞电离系数的倍增材料18,27,28,而很少有通过改进结构来提高 APD 增益的报道.2013 年,Huang 等29有效地利用了倍增层中的死区空间30,通过在此区域中交替生长不同载流子倍增纳米结构,实现了在 SAM 结构基础上的双载流子倍增,通过模拟对比,显示出更薄的倍增纳米结构可以获得更高的增益,且不会引起过剩噪声的明显增加.因此,如何在采用工艺成熟的材料前提下,通过设计新的 APD 结构以获得大的倍增增益,是值得去解决的问题.本文在传统 SAGCM-APD 的基础上进行改进,设计了两种不同载流子都参与倍增的结构,将两个倍增层分别置于吸收层上下两侧,并通过电荷层来控制吸收层和两个倍增层内部的电场强度,使得器件在一定的电场条件下,光生电子和空穴分别进入各自的倍增层后同时发生倍增,因此器件具有更大的增益值.另外,以工艺较为成熟的 InGaAs/InP/InAlAs 材料体系为例来介绍双倍增层结构,根据入射波长等不同应用需求,可以在此结构上使用其他材料体系.2APD 器件设计器件结构中以 Si 和 Be 分别作为 n 型和 p 型掺杂.器件外延结构见图 1.在 p+InP(100)衬底上外延生长 0.2mp+InP 缓冲层(81018cm3),用来防止衬底杂质向外延层的扩散;再依次外延生长0.3mp+InP 欧姆接触层(81018cm3)、0.4mnInP 空穴倍增层(21015cm3)、0.06mn+InP 电荷层(3.41017cm3)、0.05mnInGaAsP渐变层(11015cm3)、0.8m 非故意掺杂的 In0.53Ga0.47As(下文称为 InGaAs)吸收层、0.05mpInGaAsP 渐变层(11015cm3)、0.08mp+In0.52Al0.48As(下文为 InAlAs)电荷层(3.61017cm3)、0.4 m p InAlAs 电 子 倍 增 层(21015 cm3)、0.08mn+InAlAs 电荷层(2.41017cm3),此处n+电荷层设计目的为增大电子倍增层的电场强度,这是因为 InAlAs 材料具有比 InP 材料更高的碰撞电离阈值1921.接着外延生长 0.2mn+InAlAs帽层(81018cm3)、0.05mn+InGaAs 欧姆接触层(81018cm3),至此,完成主体结构的外延设计.欧姆接触层:0.05 mm InGaAs n+:8T1018 cm-3帽层:0.2 mm InAlAs n+:8T1018 cm-3电荷层:0.08 mm InAlAs n+:2.4T1017 cm-3电子倍增层:0.4 mm InAlAs p-:2T1015 cm-3电荷层:0.08 mm InAlAs p+:3.6T1017 cm-3渐变层:0.05 mm InGaAsP p-:1T1015 cm-3吸收层:0.8 mm InGaAs intrinsic渐变层:0.05 mm InGaAsP n-:1T1015 cm-3电荷层:0.06 mm InP n+:3.4T1017 cm-3空穴倍增层:0.4 mm InP n-:2T1015 cm-3欧姆接触层:0.3 mm InP p+:8T1018 cm-3缓冲层:0.2 mm InP p+:8T1018 cm-3衬底:S.I.InP阴极电极阳极电极图1双载流子倍增 APD 结构示意图Fig.1.Schematic diagram of double carrier multiplicationAPDstructure.光信号波长为 1.55m,采用从背面入射,结构的阴极和阳极分别与外电路的正极和负极连接,在反向偏压下耗尽过程首先从两个倍增层开始,随着偏压的增大,耗尽区逐渐向吸收层扩展,直至完成低掺杂区域的耗尽.依靠多个电荷层控制吸收层和两个倍增层的电场强度大小,使得光生电子和空穴可以顺利从吸收层进入两个倍增层发生雪崩倍增.图 2 为拉通后器件的能带示意图,光入射后,在吸收层产生光生电子和空穴(实心圆表示电子,空心圆表示空穴),如图中的红色实线箭头所示,在电场的作用下,电子漂移至 InAlAs 倍增层,空穴漂移至 InP 倍增层,两种载流子分别在两个倍增层发生雪崩倍增效应,均产生大量的电子和空穴.红色虚线箭头表示在 InP 倍增层碰撞电离产生的电子,又在电场的作用下,经过吸收层后漂移至 InAlAs倍增层,电子在这里发生了二次倍增;同样,在InAlAs 倍增层碰撞电离产生的空穴经过吸收层后,漂移至 InP 倍增层,空穴在此处发生了二次倍增,物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-2相比于初次从吸收层产生进入倍增层的光生载流子,进行二次倍增的载流子经过吸收层时会有相近或更大的漂移速度,因此参与二次倍增的载流子中更多的会进入倍增层发生倍增效应,而不是在吸收层漂移过程中发生复合湮灭.虽然新结构利用了两种载流子参与倍增过程,但是对于其中任何一个倍增层而言,仍然为单载流子倍增形式,所以过剩噪声不会急剧增加.3仿真模拟使用 SilvacoTCAD 的 Athena 和 Atlas 分别对结构进行工艺和器件仿真,其中器件仿真中用到的物理模型有:浓度依赖迁移率模型(conmob)、载流子统计模型(Fermi-Dirac)、复合模型(srh,auger,optr)、能带变窄模型(bgn),碰撞模型采用了 Selb,Selberherr 和 Zappa 模型.表 1 列出了 InAlAs 和InP 的碰撞电离系数的参数,其中 an,ap,bn和 bp为碰撞模型中计算碰撞电离系数时的参数值.表1InAlAs 和 InP 碰撞电离系数的仿真参数Table1.Simulationparametersfortheionizationcoeffi-cientsofInAlAsandInP.材料an/cm1ap/cm1bn/(Vcm1)bp/(Vcm1)InP1.01079.361073.451062.78106InAlAs6.21071.001064.001064.00106碰撞电离系数的计算公式为=anexp(bn/E),=apexp(bp/E),(1)=qE1.9exp0.217(1.9En)1.14(0.217(1.9En)1.14)2+(1.9qEn)20.5,=qE1.4exp0.217(1.4Ep)1.14(0.217(1.4Ep)1.14)2+(1.4qEp)20.5.(2)这里,n=41.7tanh(462kT),En=46tanh(462kT),p=41.3tanh(362kT),EP=36tanh(362kT).(1)式、(2)式分别为 Selberherr 模型和 Zappa模型中计算碰撞电离系数的数学表达式,其中 ,分别为电子碰撞电离系数和空穴碰撞电离系数;En和 Ep分别为电子和空穴能量;ln,lp分别为电子和空穴的平均自由程;E 为电场强度;k 为玻尔兹曼常数;T 为开尔文温度值.下文将双载流子倍增 APD 结构定义为结构.如图 3 所示,在零偏压条件下,耗尽过程首先从两个倍增层开始,内建电场使能带在这两个区域发生了弯曲,并且弯曲方向一致;另外,靠近吸收层两侧的 p+电荷层和 n+电荷层也构成一个 PN 结,使得吸收层也发生一定程度的耗尽,所以吸收层能带也发生一定的弯曲,只不过此处与两个倍增层的内建电场方向相反,能带弯曲方向也就不同.图 4 和图 5 分别为结构在击穿电压下的电场分布和碰撞电离系数分布.由图 4 可以看出,通过电荷层的调节,使得两个倍增层的电场均高于吸收层的电场,且吸收区电场低于其隧穿电场,这样的电场分布有以下优势:光生载流子可通过吸收区内的电场越过势垒进入倍增层,而不在此处发生倍增效应;同时,这种较低的电场也减少了在吸收层产生的隧穿暗电流;倍增层的高电场使进入此区域的载流子与晶格发生碰撞电离,从而引起雪崩倍增效应,产生大的光电流输出.因为 InAlAs 材料比InP 材料的碰撞电离阈值高,所以需要让 InAlAs倍增层的电场高于 InP 倍增层的电场.需要注意的是,倍增层的电场并非越大越好,过大的电场会使倍增层能带更加弯曲,从而会产生过大的隧穿暗电流.衬底缓冲层倍增层InP吸收层InGaAs倍增层InAlAsp+电荷层渐变层渐变层n+电荷层n+电荷层n+欧姆接触层n+帽层p+欧姆接触层图2双载流子倍增 APD 能带示意图Fig.2.BanddiagramofthedoublecarriermultiplicationAPD.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-3图 6 为模拟得到的结构的 I-V 特性曲线和增益曲线,图 7 为结构在不同电压下对应的电场分布,在反向偏压为 15V 时,首先完成了 InP 倍增层至吸收层下边缘的耗尽过程,此时暗电流的急剧增加由产生-复合暗电流的突变引起31,由于吸收层内无电场,光生载流子无法越过势垒进入倍增层发生倍增效应,因此无光电流产生;当反向偏压为 36V 时,完成了 InAlAs 倍增层至吸收层上边缘的耗尽过程,此时吸收层电场和光电流仍为零;随着反向偏压的继续增大,吸收层内部开始耗尽而产生电场,光电流也因此开始产生,直至反向偏压为 38V 时,完成了整个器件的拉通,对应穿通电压Vp=38V;器件的击穿电压 Vb=69V,在 95%Vb反向偏压下,直径 100m 的器件暗电流为 1.5nA,光电流为 35nA,对应的增益 M 为 35 左右.-5515250354555657510-710-810-910-1010-1110-12LightDarkMultiplication gainCurrent/A10-210-1100101102GainVoltage/V图6结构的 I-V 特性与增益曲线Fig.6.Currrent-voltage characteristics and gain of thestructure.0123-101234567InGaAs吸收层InAlAs倍增层15 V36 V38 V69 VPosition/mmInP倍增层Electric field/(105 VScm-1)图7不同反向偏压下结构的电场分布Fig.7.Electricfielddistributionofstructureunderthedifferentreversebiasvoltage.将传统单载流子倍增 APD 仿真结果与本文新结构进行对比,为方便表述,下文将传统单 InP 倍增层结构和单 InAlAs 倍增层结构分别定义为结构和结构.需要注意的是,在仿真单载流子倍增00.51.01.52.02.53.03.5-2.0-1.5-1.0-0.5Band energy/eV00.51.01.5电子倍增层空穴倍增层Position/mmValence band energyConduction band energy渐变层吸收层p+接触层n+接触层n+电荷层n+电荷层p+电荷层图3结构零偏压能带分布Fig.3.EnergybanddistributionunderzerobiasofstructureI.00.51.01.52.02.53.0-1120345678InP倍增层InCaAs吸收层Electric field/(105 VScm-1)Position/mmInAlAs倍增层图4结构在击穿电压下的电场分布Fig.4.Distribution of electric field at breakdown voltageforstructure.Ionization coefficient/(104 cm-1)0123456InAlAs倍增层InGaAs吸收层InP倍增层00.51.01.52.02.53.0Position/mmh+ioniazation coefficiente-ioniazation coefficient图5结构在击穿电压下的电离系数分布Fig.5.Distribution of ionization coefficient at breakdownvoltageforstructure.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-4APD 结构时,采用的仿真模型、材料参数、器件尺寸等与结构保持一致,以保证对比结果的可靠性.另外也要使结构和的性能参数达到文献 32报道的正常水平,其中倍增层厚度为 0.4m 和提供足够碰撞电离所需要的电场强度的条件下,理论计算的单 InP 倍增层结构的平均增益范围为 418,实验测试的增益为 10 左右33,34.相同的条件下,理论计算的单 InAlAs 倍增层结构的平均增益范围为 32032,实验测试的增益为 15 左右33.图 8 为模拟得到的结构和结构的 I-V 特性以及增益曲线,表 2 为 3 种结构的特性对比结果:由于结构耗尽区宽度的增大,要想获得与结构和结构耗尽区相同的电场,结构需要更大的反向偏压,所以结构的穿通电压和击穿电压都会比结构和结构大.图 9 为简化后的结构电场分布图,其中忽略了厚度较薄的电荷层和渐变层,以及无电场分布的帽层和接触层,(3)式为与图 9 对应的结构电压 Vapd表达式:Vapd=Vm1+Va+Vm2=x10Exm1dx+x2x1Exadx+x3x2Exm2dx,(3)式中,Vm1,Va,Vm2分别为 InP 倍增层、吸收层、InAlAs 倍增层的电压降,Exm1,Exa,Exm2为这 3 个区域的电场强度.可以看出,对比结构和结构,在保证各对应功能层厚度和电场分布相同的条件下,落在耗尽区各部分的电压降基本没有变化.也就是说,表 2 中结构相对于结构或结构高出的击穿电压值,主要是所增加的一个倍增层的电压降.关于暗电流,结构相对于结构和结构而言,增加一个倍增层后并没有引起暗电流的显著增大,这是因为在倍增层内产生的暗电流主要成分为高电场下的隧穿暗电流,而本文在仿真过程中,对两个倍增层的电场进行一定的控制,避免过高电场而导致的带间隧穿暗电流的增大.因此,增加一个倍增层后的结构,可以保持与单倍增层结构相近的暗电流水平.增益方面,由于结构中空穴倍增层与结构中倍增层的材料和厚度相同,并且调节后两层的电场大小接近,所以可以推测,在结构的空穴倍增层中产生的增益应该接近结构产生的增益;同理,在结构的电子倍增层中产生的增益应该接近结构产生的增益.另外,在结构中的空穴倍增层碰撞形成的电子进入到电子倍增层后也会参与电子主导的雪崩倍增而增加光电流输出.同理,在电子倍增层碰撞形成的空穴进入空穴倍增层后也会参与空穴主导的雪崩倍增,进而也会增加结构LightDarkMultiplication gain10-710-810-910-1010-1110-12Current/A10-210-1100101102GainGain-5051015202530354045Voltage/V(a)-50510 15 20 25 30 35 40 45 50Voltage/VLightDarkMultiplication gain10-710-810-910-1010-1110-12Current/A10-210-1100101102(b)图8I-V 特性与增益曲线(a)结构;(b)结构Fig.8.CurveofI-Vcharacteristicsandgain:(a)Structure;(b)structure.表2三种结构特性对比Table2.Comparisonofthecharacteristicsofthreestructures.结构击穿电压/V暗电流/nA增益691.5(66V)35(66V)442.0(42V)15(42V)451.5(43V)18(43V)衬底InP倍增层(m1)吸收层(a)InAlAs 倍增层(m2)3210图9简化的结构电场分布Fig.9.Electricfielddistributionofthesimplifiedstructure.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-5增益.总之,由于结构实现了两种载流子分别在两个倍增层内同时倍增,因此会产生比结构和结构更大的光电流增益.从理论上来说,结构的增益值应该接近结构和结构的增益值之和,仿真结果基本符合此理论预测.4结论在传统 SAGCM 单载流子倍增结构的基础上,设计了双载流子倍增的 APD 新结构,其中电子倍增层选用的材料为 InAlAs,空穴倍增层选用的材料为 InP,可以实现电子和空穴在两个倍增层分别进行倍增,在不增加暗电流的基础上,显著提高了光电流增益.使用 SilvacoTCAD 软件对 3 种结构分别进行了仿真,在 95%击穿电压和器件直径为100m 条件下,三者的暗电流水平几乎相同,结构的暗电流为 1.5nA,结构的暗电流为 2nA,结构的暗电流为 1.5nA.增益方面,结构相对于后两种结构有明显优势,结构增益值为 35,结构和结构增益值分别为 15 和 18,显示出双载流子倍增 APD 在探测极微弱信号领域具有较大应用潜力.本文使用的结构是 InP 衬底上的 InP/InGaAs/InAlAs 材料体系,基于此结构设计框架,可以对衬底、电子倍增层、空穴倍增层等外延层进行材料替换,同样能够实现对应材料体系下的双载流子倍增.感谢中国科学院半导体研究所和潍坊先进光电芯片研究院给予的技术和资金支持,感谢曲阜师范大学的培养和支持.参考文献 MccarthyA,RenX,DellaFA,GemmellNR,KrichelNJ,ScarcellaC,RuggerA,TosiA,BullerGS2013Opt.Express21220981BertoneN,ClarkW2007Laser Focus World43692MitraP,BeckJD,SkokanMR,SkokanMR,RobinsonJE,Antoszewski J,Winchester K J,Keating A J,Nguyen T,SilvaK,MuscaCA,DellJM,FaraoneL2006SPIE DefenseCommercial Sensing Orlando,United States,April 1419,2006p703TosiA,CalandriN,SanzaroM,AcerbiF2014IEEE J.Sel.Top.Quant.201924Jiang X,Itzler M,ODonnell K,Entwistle M,Owens M,SlomkowskiK,RangwalaSS2014IEEE J.Sel.Top.Quant.5215LeeC,JohnsonB,MolnarAC2015App.Phys.Lett.1062311056NishidaK,TaguchiK,MatsumotoY1979App.Phys.Lett.352517LiJ,DehzangiA,BrownGJ,RazeghiM2021Sci.Rep.1171048TarofLE1990IEEE Photonic.Tech.L.26439CampbellJC,DentaiAG,HoldenWS,KasperBL1983Electron.Lett.1981810MatsushimaY,AkibaS,SakaiK,KushiroY,NodaY,UtakaK1982Electron.Lett.2294511CapassoF,ChoAY,FoyPW1984Electron.Lett.2063512ForrestSR,KimOK,SmithRG1982App.Phys.Lett.419513Ma C,Deen M J,Tarof L E 1995 IEEE Trans.ElectronDevices42207014EmmonsRB1967J.Appl.Phys.38370515McintyreRJ1966IEEE Trans.Electron Devices1316416ZengQY2014Ph.D.Dissertation(Beijing:UniversityofChineseAcademyofSciences)(inChinese)曾巧玉2014博士学位论文(北京:中国科学院大学)17L Y X 2018 M.S.Thesis(Beijing:University of ChineseAcademyofSciences)(inChinese)吕粤希2018硕士学位论文(北京:中国科学院大学)18CookLW,BulmanGE,StillmanGE1982App.Phys.Lett.4058919GohYL,MasseyD,MarshallAR,NgJS,TanCH,NgWK,ReesGJ,HopkinsonM,DavidJP,JonesS2007IEEETrans.Electron Devices541120CapassoF,MohammedK,AlaviK,ChoAY,FoyPW1984App.Phys.Lett.4596821MelchiorH,HartmanAR,SchinkeDP,SeidelTE1978BellSyst.Tech.J.57179122LiX,BamiedakisN,WeiJL,PentyRV,WhiteIH2014Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)LaserScience to Photonic Applications San Jose,United States,June813,2014p123CampbellJC2004IEEE J.Sel.Top.Quant.1077724MillerSL1955Phys.Rev.99123425MaCF,DeenMJ,TarofLE1997Adv.Imag.Elect.Phys.996526JonesAH,MarchSD,DadeyAA,MuhowskiAJ,BankSR,CampbellJC2022IEEE J.Quantum Electron.58127Woodson M E,Ren M,Maddox S J,Chen Y,Bank S R,CampbellJC2016App.Phys.Lett.10808110228Huang J,Banerjee K,Ghosh S,Hayat M M 2013 IEEETrans.Electron Devices60229629OkutoY,CrowellCR1974Phys.Rev.B10428430XieS,ZhangF,MaoLH2022J.Huazhong Univ.of Sci.&Tech.(Natural Science Edition)51(inChinese)谢生,张帆,毛陆虹2022华中科技大学学报(自然科学版)5131SalehMA,HayatMM,SotirelisP,HolmesAL,CampbellJC,SalehBE,TeichMC2001IEEE Trans.Electron Devices48272232Li H M 2016 M.S.Thesis(Beijing:University of ChineseAcademyofSciences)(inChinese)李慧梅2016硕士学位论文(北京:中国科学院大学)33Hako D,Kovc J,Uherek F,kriniarov J,Jakabovic J,PeternaiL2006Microelectron.J.3748334物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-6Structural design of dual carrier multiplication avalanchephotodiodes on InP substrate*ZhaoHua-Liang1)2)PengHong-Ling2)3)ZhouXu-Yan2)3)ZhangJian-Xin2)5)NiuBo-Wen1)2)ShangXiao2)4)WangTian-Cai3)CaoPeng3)1)(School of Physics and Physical Engineering,Qufu Normal University,Qufu 273165,China)2)(Weifang Academy of Advanced Opto-Electronic Circuits,Weifang 261071,China)3)(Institute of Semiconductors,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100083,China)4)(School of Physics and Optoelectronic Engineering,Shandong University of Technology,Zibo 255049,China)5)(School of Physics and Electronic Information,Weifang University,Weifang 261061,China)(Received29May2023;revisedmanuscriptreceived28July2023)AbstractAvalanchephotodiodesarewidelyusedinvariousfields,suchasopticalcommunicationandlaserradar,becauseoftheirhighmultiplication.Inordertoadapttoveryweaksignaldetectionapplications,devicesarerequired to have higher gain values.The existing avalanche photodiodes generally use single carriermultiplication mode of operation,its multiplication effect is limited.In this paper is designed anInP/In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As avalanche photodiode structure with electrons and holes jointly involved inmultiplication.Inthisstructure,In0.53Ga0.47Asmaterialisusedfortheabsorptionlayer,InPmaterialisusedforthe hole multiplication layer,In0.52Al0.48As is used for the electron multiplication layer,and the twomultiplicationlayersaredistributedontheuppersideandlowersideoftheabsorberlayer.Underthereversebias,the photogenerated electrons and the absorber-layer generated holes can enter into the respectivemultiplierlayersindifferentdirectionsandcreatetheavalanchemultiplicationeffect,sothatthecarriersarefullyutilized.ThisstructureandtheconventionalsinglemultiplicationlayerstructurearesimulatedbySilvacoTCAD software.Comparing the single InP multiplication layer structure with the single In0.52Al0.48Asmultiplicationlayerstructure,thegainvalueofthedoublemultiplicationlayerstructureat95%breakdownvoltageisabout2.3timesandabout2timesoftheformertwo,respectively,andthedevicehasalargergainvaluebecausebothcarriersareinvolvedinmultiplicationinbothmultiplicationlayersatthesametime.Thestructurehasadarkcurrentof1.5nAat95%breakdownvoltage,whichdoesnotincreaseincomparisonwiththesinglemultiplicationlayerstructure,owingtotheeffectivecontroloftheelectricfieldinsidethestructureby multiple charge layers.Therefore,this structure is expected to improve the detection sensitivity of thesystem.Keywords:avalanchephotodiode,weaksignal,dualcarriermultiplication,gainPACS:85.30.z,73.40.Lq,85.60.Gz,42.60.LhDOI:10.7498/aps.72.20230885*ProjectsupportedbytheNationalKeyResearchandDevelopmentProgramofChina(GrantNo.2018YFE0200900).Correspondingauthor.E-mail:物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.19(2023)198502198502-7