Struktura InGaAs fotodetektora

Struktura odInGaAs fotodetektor

Od 1980-ih, istraživači u zemlji i inozemstvu proučavali su strukturu InGaAs fotodetektora, koji se uglavnom dijele na tri tipa. To su InGaAs metal-poluvodič-metalni fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) i InGaAs lavinski fotodetektor (APD-PD). Postoje značajne razlike u procesu izrade i cijeni InGaAs fotodetektora s različitim strukturama, a također postoje velike razlike u performansama uređaja.

InGaAs metal-poluvodič-metalfotodetektor, prikazan na slici (a), posebna je struktura temeljena na Schottkyevom spoju. Godine 1992. Shi i sur. upotrijebili su tehnologiju epitaksije metalno-organske parne faze niskog tlaka (LP-MOVPE) za uzgoj epitaksijskih slojeva i pripremili InGaAs MSM fotodetektor, koji ima visoku osjetljivost od 0,42 A/W na valnoj duljini od 1,3 μm i tamnu struju nižu od 5,6 pA/ μm² na 1,5 V. Godine 1996., zhang et al. upotrijebio epitaksiju molekularnim snopom u plinskoj fazi (GSMBE) za uzgoj sloja epitaksije InAlAs-InGaAs-InP. Sloj InAlAs pokazao je visoke karakteristike otpornosti, a uvjeti rasta optimizirani su mjerenjem difrakcije X-zraka, tako da je neusklađenost rešetke između slojeva InGaAs i InAlAs bila unutar raspona od 1×10⁻³. To rezultira optimiziranom izvedbom uređaja s tamnom strujom ispod 0,75 pA/μm² pri 10 V i brzim prijelaznim odzivom do 16 ps pri 5 V. U cjelini, fotodetektor strukture MSM jednostavan je i lako se integrira, pokazujući nisku tamnu struju (pA poredak), ali će metalna elektroda smanjiti efektivno područje apsorpcije svjetla uređaja, tako da je odziv manji od ostalih struktura.

InGaAs PIN fotodetektor umeće unutarnji sloj između kontaktnog sloja P-tipa i kontaktnog sloja N-tipa, kao što je prikazano na slici (b), koji povećava širinu osiromašenog područja, zračeći tako više parova elektron-rupa i formirajući veća fotostruja, tako da ima izvrsnu izvedbu vodljivosti elektrona. Godine 2007. A.Poloczek i sur. upotrijebio je MBE za uzgoj niskotemperaturnog međusloja kako bi poboljšao hrapavost površine i prevladao neusklađenost rešetke između Si i InP. MOCVD je korišten za integraciju InGaAs PIN strukture na InP podlogu, a odziv uređaja bio je oko 0,57 A/W. Godine 2011. Army Research Laboratory (ALR) upotrijebio je PIN fotodetektore za proučavanje liDAR imagera za navigaciju, izbjegavanje prepreka/sudara i otkrivanje/identifikaciju cilja kratkog dometa za mala bespilotna kopnena vozila, integriran s jeftinim čipom za mikrovalno pojačalo koji značajno poboljšao omjer signala i šuma InGaAs PIN fotodetektora. Na temelju toga, ALR je 2012. koristio ovaj liDAR imager za robote, s dometom detekcije većim od 50 m i rezolucijom od 256 × 128.

InGaAslavinski fotodetektorje vrsta fotodetektora s pojačanjem, čija je struktura prikazana na slici (c). Par elektron-šupljina dobiva dovoljno energije pod djelovanjem električnog polja unutar područja udvostručenja, kako bi se sudario s atomom, generirao nove parove elektron-šupljina, stvorio efekt lavine i umnožio neravnotežne nosioce u materijalu. . George M je 2013. godine upotrijebio MBE za uzgoj legura InGaAs i InAlAs usklađenih s rešetkom na InP supstratu, koristeći promjene u sastavu legure, debljinu epitaksijalnog sloja i dopiranje na moduliranu energiju nosača kako bi se maksimizirala ionizacija elektrošokom uz minimaliziranje ionizacije šupljina. Pri ekvivalentnom pojačanju izlaznog signala, APD pokazuje niži šum i nižu tamnu struju. Godine 2016. Sun Jianfeng i sur. izgradio je eksperimentalnu platformu za lasersko aktivno snimanje od 1570 nm temeljenu na InGaAs lavinskom fotodetektoru. Unutarnji strujni krugAPD fotodetektorprima odjeke i izravno emitira digitalne signale, čineći cijeli uređaj kompaktnim. Eksperimentalni rezultati prikazani su na Sl. (d) i (e). Slika (d) je fizička fotografija cilja snimanja, a slika (e) je trodimenzionalna slika udaljenosti. Jasno se može vidjeti da područje prozora područja c ima određenu dubinsku udaljenost s područjem A i b. Platforma ostvaruje širinu impulsa manju od 10 ns, energiju pojedinačnog impulsa (1 ~ 3) mJ podesivu, kut polja prijemne leće od 2°, frekvenciju ponavljanja od 1 kHz, omjer rada detektora od oko 60%. Zahvaljujući APD-ovom unutarnjem pojačanju fotostruje, brzom odzivu, kompaktnoj veličini, izdržljivosti i niskoj cijeni, APD fotodetektori mogu biti za red veličine veći u stopi detekcije od PIN fotodetektora, tako da sadašnjim glavnim liDAR-om uglavnom dominiraju lavinski fotodetektori.

Sve u svemu, s brzim razvojem tehnologije pripreme InGaAs u zemlji i inozemstvu, možemo vješto koristiti MBE, MOCVD, LPE i druge tehnologije za pripremu visokokvalitetnog InGaAs epitaksijskog sloja velike površine na InP supstratu. InGaAs fotodetektori pokazuju nisku tamnu struju i visoku osjetljivost, najniža tamna struja niža je od 0,75 pA/μm², maksimalna osjetljivost je do 0,57 A/W i ima brz prijelazni odziv (ps red). Budući razvoj InGaAs fotodetektora usredotočit će se na sljedeća dva aspekta: (1) InGaAs epitaksijalni sloj izravno se uzgaja na Si supstratu. Trenutačno se većina mikroelektroničkih uređaja na tržištu temelji na Si, a naknadni integrirani razvoj temeljen na InGaAs i Si opći je trend. Rješavanje problema kao što su neusklađenost rešetke i razlika u koeficijentu toplinskog širenja ključno je za proučavanje InGaAs/Si; (2) Tehnologija valne duljine od 1550 nm je zrela, a produžena valna duljina (2,0 ~ 2,5) μm budući je smjer istraživanja. S povećanjem In komponenti, neusklađenost rešetke između InP supstrata i InGaAs epitaksijalnog sloja dovest će do ozbiljnijih dislokacija i defekata, stoga je potrebno optimizirati procesne parametre uređaja, smanjiti defekte rešetke i smanjiti tamnu struju uređaja.