This paper presents a demonstration of a 278 V GaN avalanche photodiode offering a photoresponsivity of 60 A/W and capable of operating at high temperature with a high gain of 105. The GaN n–i–p diode fabricated on a free-standing GaN substrate showed robust avalanche, which has not been observed on any GaN avalanche photodiodes (APDs) grown on foreign substrates. Both electrical and optical characterization studies were conducted to validate the occurrence of avalanche in these devices. The device showed a positive temperature coefficient of breakdown voltage, which follows the nature of avalanche breakdown. The positive coefficient was measured to be 3.85 × 10−4 K−1 (0.1 V/K) at a measurement temperature ranging from 300 K to 525 K. The avalanche-induced electroluminescence is also reported here in GaN APDs. The diode demonstrated superior performance by simultaneously offering a high photoresponsivity of 60 A/W, a high gain of 105 up to 525 K, and low dark current (1.5 × 10−5 A/cm2), measured at 0.95 × BV following industry standards.

1.
S.
Verghese
,
K. A.
Mclntosh
,
R. J.
Molnar
,
C.-L.
Chen
,
K. M.
Molvar
,
I.
Melngailis
, and
R. L.
Aggarwal
, in
Device Research Conference
(
1998
), pp.
54
55
.
2.
J. C.
Carrano
,
D. J.
Lambert
,
C. J.
Eiting
,
C. J.
Collins
,
T.
Li
,
S.
Wang
,
B.
Yang
,
A. L.
Beck
,
R. D.
Dupuis
, and
J. C.
Campbell
,
Appl. Phys. Lett.
76
,
924
(
2000
).
3.
R.
McClintock
,
J. L.
Pau
,
K.
Minder
,
C.
Bayram
,
P.
Kung
, and
M.
Razeghi
,
Appl. Phys. Lett.
90
,
141112
(
2007
).
4.
E.
Cicek
,
Z.
Vashaei
,
R.
McClintock
,
C.
Bayram
, and
M.
Razeghi
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
261107
(
2010
).
5.
Y.
Zhang
,
S.-C.
Shen
,
H. J.
Kim
,
S.
Choi
,
J.-H.
Ryou
,
R. D.
Dupuis
, and
B.
Narayan
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
221109
(
2009
).
6.
I. C.
Kizilyalli
,
A. P.
Edwards
,
O.
Aktas
,
T.
Prunty
, and
D.
Bour
,
IEEE Trans. Electron Devices
62
(
2
),
414
(
2015
).
7.
T.
Maeda
,
T.
Narita
,
H.
Ueda
,
M.
Kanechika
,
T.
Uesugi
,
T.
Kachi
,
T.
Kimoto
,
M.
Horita
, and
J.
Suda
, in
IEEE International Electron Devices Meeting
(
2018
), pp.
687
690
.
8.
D.
Ji
,
S.
Li
,
B.
Ercan
,
C.
Ren
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
41
,
264
267
(
2020
).
9.
P.
Suvarna
,
J.
Bulmer
,
J. M.
Leathersich
,
J.
Marini
,
I.
Mahaboob
,
J.
Hennessy
,
L. D.
Bell
,
S.
Nikzad
, and
F.
Shahedipour-Sandvik
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
27
,
498
501
(
2015
).
10.
S.
Chowdhury
, Ph.D. dissertation,
University of California
,
Santa Barbara
,
2010
.
11.
D.
Ji
,
C.
Gupta
,
A.
Agarwal
,
S. H.
Chan
,
C.
Lund
,
W.
Li
,
S.
Keller
,
U. K.
Mishra
, and
S.
Chowdhury
,
IEEE Electron Device Lett.
39
,
711
714
(
2018
).
12.
I.
Stricklin
,
M.
Monavarian
,
A.
Aragon
,
G.
Pickrell
,
M.
Crawford
,
A.
Allerman
,
A.
Armstrong
, and
D.
Feezell
,
Proc. SPIE
10754
,
1075402
(
2018
).
13.
R.
Hall
,
Int. J. Electron.
22
,
513
519
(
1967
).
14.
C.
Groves
,
R.
Ghin
,
J. P. R.
David
, and
G. J.
Rees
,
IEEE Trans. Electron Devices
50
,
2027
2031
(
2003
).
15.
L. J. J.
Tan
,
D. S. G.
Ong
,
J. S.
Ng
,
C. H.
Tan
,
S. K.
Jones
,
Y.
Qian
, and
J. P. R.
David
,
IEEE J. Quantum Electron.
46
,
1153
1157
(
2010
).
16.
K. V.
Vassilevski
,
K.
Zekentes
,
A. V.
Zorenko
, and
L. P.
Romanov
,
IEEE Electron Device Lett.
21
,
485
487
(
2000
).
17.
D.
Ji
,
B.
Ercan
, and
S.
Chowdhury
,
Appl. Phys. Lett.
115
,
073503
(
2019
).
18.
HAMAMATSU Inc.,
Silicon Avalanche Photodiode S14643-2, Datasheet
(
HAMAMATSU, Inc.
,
2019
).
19.
HAMAMATSU Inc.,
InGaAs Avalanche Photodiode G14858-0020AA, Datasheet
(
HAMAMATSU Inc.
,
2019
).
20.
M.
Lahbabi
,
A.
Ahaitouf
,
M.
Fliyou
,
E.
Abarkan
,
J. P.
Charles
,
A.
Bath
,
A.
Hoffmann
,
S. E.
Kerns
, and
D. V.
Kerns
, Jr.
,
J. Appl. Phys.
95
,
1822
1828
(
2004
).
21.
I.
Akasaki
,
H.
Amano
,
M.
Kito
, and
K.
Hiramatsu
,
J. Lumin.
48–49
, Pt. 2,
666
670
(
1991
).
22.
J. B.
Limb
,
D.
Yoo
,
J. H.
Ryou
,
W.
Lee
,
S. C.
Shen
,
R. D.
Dupuis
,
M. L.
Reed
,
C. J.
Collins
,
M.
Wraback
,
D.
Hanser
,
E.
Preble
,
N. M.
Williams
, and
K.
Evans
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
011112
(
2006
).
23.
C.
Bayram
,
J. L.
Pau
,
R.
McClintock
,
M.
Razeghi
,
M. P.
Ulmer
, and
D.
Silversmith
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
211107
(
2008
).
24.
B.
Butun
,
T.
Tut
,
E.
Ulker
,
T.
Yelboga
, and
E.
Ozbay
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
033507
(
2008
).
25.
R. D.
Dupuis
,
J.
Ryou
,
S.
Shen
,
P. D.
Yoder
,
Y.
Zhang
,
H. J.
Kim
,
S.
Choi
, and
Z.
Lochner
,
J. Cryst. Growth
310
,
5217
5222
(
2008
).
26.
S.
Verghese
,
K. A.
McIntosh
,
R. J.
Molnar
,
L. J.
Mahoney
,
R. L.
Aggarwal
,
M. W.
Geis
,
K. M.
Molvar
,
E. K.
Duerr
, and
I.
Melngailis
,
IEEE Trans. Electron Devices
48
(
3
),
502
511
(
2001
).
27.
S. C.
Shen
,
Y.
Zhang
,
D.
Yoo
,
J. B.
Limb
,
J. H.
Ryou
,
P. D.
Yoder
, and
R. D.
Dupuis
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
19
(
21
),
1744
1746
(
2007
).
28.
M. C.
Chen
,
J. K.
Sheu
,
M. L.
Lee
,
C. J.
Tun
, and
G. C.
Chi
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
183509
(
2006
).
29.
Q.
Zhou
,
D. C.
Mclntosh
,
Z.
Lu
,
J. C.
Campbell
,
A.
Sampath
,
H.
Shen
, and
M.
Wraback
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
131110
(
2011
).
30.
J.
Kim
,
M.
Ji
,
T.
Detchprohm
,
R.
Dupuis
,
J.
Ryou
,
A. K.
Sood
,
N. D.
Dhar
, and
J.
Lewis
,
Appl. Phys. Express
8
(
12
),
122202
(
2015
).
31.
M.
Ji
,
H.
Jeong
,
M.
Bakhtiary-Noodeh
,
S.-C.
Shen
,
T.
Detchprohm
,
A. K.
Sood
,
P. P.
Ghuman
,
S.
Babu
,
N. K.
Dhar
,
J.
Lewis
, and
R. D.
Dupuis
,
Proc. SPIE
10918
,
1091814
(
2019
).
32.
A. K.
Sood
,
J. W.
Zeller
,
P.
Ghuman
,
S.
Babu
,
N. K.
Dhar
,
S.
Ganguly
,
A. W.
Ghosh
, and
R. D.
Dupuis
,
Proc. SPIE
11151
,
1115113
(
2019
).
33.
Z.
Xia
,
K.
Zang
,
D.
Liu
,
M.
Zhou
,
T.-J.
Kim
,
H.
Zhang
,
M.
Xue
,
J.
Park
,
M.
Morea
,
J. H.
Ryu
,
T.-H.
Chang
,
J.
Kim
,
S.
Gong
,
T. I.
Kamins
,
Z.
Yu
,
Z.
Wang
,
J. S.
Harris
, and
Z.
Ma
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
081109
(
2017
).
You do not currently have access to this content.