Struktura InGaAs fotodetektora

StrukturaInGaAs fotodetektor

Od 1980-ih, istraživači u zemlji i inozemstvu proučavaju strukturu InGaAs fotodetektora, koji se uglavnom dijele u tri vrste. To su InGaAs metal-poluvodič-metal 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 postoje i velike razlike u performansama uređaja.

InGaAs metal-poluvodič-metalfotodetektor, prikazan na slici (a), je posebna struktura temeljena na Schottkyjevom spoju. Godine 1992., Shi i suradnici koristili su tehnologiju epitaksije metal-organske parne faze niskog tlaka (LP-MOVPE) za rast epitaksijalnih 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 pri 1,5 V. Godine 1996., Zhang i suradnici koristili su epitaksiju molekularnog snopa plinske faze (GSMBE) za rast epitaksijalnog sloja InAlAs-InGaAs-InP. Sloj InAlAs pokazao je visoke karakteristike otpora, 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 optimiziranim performansama uređaja s tamnom strujom ispod 0,75 pA/μm² pri 10 V i brzim prijelaznim odzivom do 16 ps pri 5 V. Općenito, fotodetektor MSM strukture je jednostavan i lako se integrira, pokazujući nisku tamnu struju (reda veličine pA), ali metalna elektroda će smanjiti efektivno područje apsorpcije svjetlosti uređaja, pa je odziv niži nego kod drugih struktura.

InGaAs PIN fotodetektor ubacuje intrinzični sloj između kontaktnog sloja P-tipa i kontaktnog sloja N-tipa, kao što je prikazano na slici (b), što povećava širinu područja osiromašenja, čime se zrači više elektron-šupljinskih parova i formira veća fotostruja, pa ima izvrsne performanse vodljivosti elektrona. Godine 2007., A.Poloczek i suradnici koristili su MBE za uzgoj niskotemperaturnog međusloja kako bi poboljšali hrapavost površine i prevladali 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., Vojni istraživački laboratorij (ALR) koristio je PIN fotodetektore za proučavanje liDAR slikovnog uređaja za navigaciju, izbjegavanje prepreka/sudara i otkrivanje/identifikaciju ciljeva kratkog dometa za mala bespilotna kopnena vozila, integriranog s jeftinim čipom mikrovalnog pojačala koji je značajno poboljšao omjer signala i šuma InGaAs PIN fotodetektora. Na temelju toga, ALR je 2012. godine koristio ovaj liDAR snimač za robote, s dometom detekcije većim od 50 m i rezolucijom od 256 × 128.

InGaAsfotodetektor lavinaje vrsta fotodetektora s pojačanjem, čija je struktura prikazana na slici (c). Elektron-šupljinski par dobiva dovoljno energije pod djelovanjem električnog polja unutar područja udvostručavanja, kako bi se sudario s atomom, generirao nove elektron-šupljinske parove, formirao lavinski efekt i umnožio neravnotežne nosioce u materijalu. Godine 2013. George M. koristio je MBE za uzgoj rešetkasto usklađenih InGaAs i InAlAs legura na InP podlozi, koristeći promjene u sastavu legure, debljini epitaksijalnog sloja i dopiranju za moduliranu energiju nosioca kako bi se maksimizirala ionizacija elektrošoka uz minimiziranje ionizacije šupljina. Pri ekvivalentnom pojačanju izlaznog signala, APD pokazuje niži šum i nižu tamnu struju. Godine 2016. Sun Jianfeng i suradnici izgradili su set eksperimentalne platforme za aktivno lasersko snimanje od 1570 nm temeljene na lavinskom fotodetektoru InGaAs. Unutarnji krugAPD fotodetektorprimao jeke i izravno izbacivao digitalne signale, čineći cijeli uređaj kompaktnim. Eksperimentalni rezultati prikazani su na slikama (d) i (e). Slika (d) je fizička fotografija cilja snimanja, a slika (e) je trodimenzionalna slika udaljenosti. Jasno se vidi 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 radnog vremena detektora od oko 60%. Zahvaljujući APD-ovom unutarnjem pojačanju fotostruje, brzom odzivu, kompaktnoj veličini, izdržljivosti i niskoj cijeni, APD fotodetektori mogu imati za red veličine veću brzinu detekcije od PIN fotodetektora, tako da trenutni mainstream liDAR uglavnom dominiraju lavinski fotodetektori.

Sveukupno, s brzim razvojem tehnologije pripreme InGaAs u zemlji i inozemstvu, možemo vješto koristiti MBE, MOCVD, LPE i druge tehnologije za pripremu visokokvalitetnog InGaAs epitaksijalnog sloja velike površine na InP podlozi. InGaAs fotodetektori pokazuju nisku tamnu struju i visoku osjetljivost, najniža tamna struja je niža od 0,75 pA/μm², maksimalna osjetljivost je do 0,57 A/W, i imaju brzi prijelazni odziv (reda veličine ps). Budući razvoj InGaAs fotodetektora usredotočit će se na sljedeća dva aspekta: (1) InGaAs epitaksijalni sloj se izravno uzgaja na Si podlozi. Trenutno je većina mikroelektroničkih uređaja na tržištu bazirana na Si, a kasniji integrirani razvoj InGaAs i Si baziranih uređaja je opći trend. Rješavanje problema kao što su neusklađenost rešetke i razlika u koeficijentu toplinskog širenja ključno je za proučavanje InGaAs/Si; (2) Tehnologija valnih duljina od 1550 nm je zrela, a proširena valna duljina (2,0 ~ 2,5) μm je budući smjer istraživanja. S povećanjem In komponenti, neusklađenost rešetke između InP podloge 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.