Struktura InGaAs fotodetektora

StrukturaInGaAs fotodetektor
Od 1980-ih istraživači proučavaju strukturu InGaAs fotodetektora, koji se mogu sažeti u tri glavne vrste: InGaAs metal, poluvodič, metal.fotodetektori(MSM-PD), InGaAsPIN fotodetektori(PIN-PD) i InGaAsfotodetektori lavina(APD-PD). Postoje značajne razlike u proizvodnom procesu i cijeni InGaAs fotodetektora s različitim strukturama, a postoje i značajne razlike u performansama uređaja.
Shematski dijagram strukture metalnog poluvodičkog metalnog fotodetektora InGaAs prikazan je na slici, koja je posebna struktura temeljena na Schottkyjevom spoju. Godine 1992. Shi i suradnici koristili su tehnologiju niskotlačne metalno-organske epitaksije u parnoj fazi (LP-MOVPE) za uzgoj epitaksijalnih slojeva i pripremu InGaAs MSM fotodetektora. Uređaj ima visoku osjetljivost od 0,42 A/W na valnoj duljini od 1,3 μm i tamnu struju manju od 5,6 pA/μ m² pri 1,5 V. Godine 1996. istraživači su koristili plinsko-faznu molekularnu epitaksiju snopa (GSMBE) za uzgoj InAlAs InGaAs InP epitaksijalnih slojeva, koji su pokazali visoke karakteristike otpornosti. Uvjeti rasta optimizirani su mjerenjima rendgenske difrakcije, što je rezultiralo neusklađenošću rešetke između slojeva InGaAs i InAlAs unutar raspona od 1 × 10⁻³. Kao rezultat toga, performanse uređaja su optimizirane, s tamnom strujom manjom od 0,75 pA/μ m² pri 10 V i brzim prijelaznim odzivom od 16 ps pri 5 V. Sveukupno, fotodetektor MSM strukture ima jednostavnu i lako integrirajuću strukturu, pokazujući nižu tamnu struju (razinu pA), ali metalna elektroda smanjuje efektivno područje apsorpcije svjetlosti uređaja, što rezultira nižom osjetljivošću u usporedbi s drugim strukturama.

InGaAs PIN fotodetektor ima intrinzični sloj umetnut između kontaktnog sloja P-tipa i kontaktnog sloja N-tipa, kao što je prikazano na slici, što povećava širinu područja osiromašenja, čime zrači više parova elektronskih šupljina i formira veću fotostruju, pokazujući tako izvrsnu elektroničku vodljivost. Godine 2007. istraživači su koristili MBE za uzgoj niskotemperaturnih međuslojeva, poboljšavajući hrapavost površine i prevladavajući neusklađenost rešetke između Si i InP. Integrirali su InGaAs PIN strukture na InP podlogama koristeći MOCVD, a osjetljivost uređaja bila je približno 0,57 A/W. Godine 2011. istraživači su koristili PIN fotodetektore za razvoj LiDAR uređaja za snimanje kratkog dometa za navigaciju, izbjegavanje prepreka/sudara i otkrivanje/prepoznavanje ciljeva malih bespilotnih kopnenih vozila. Uređaj je integriran s jeftinim čipom mikrovalnog pojačala, značajno poboljšavajući omjer signala i šuma InGaAs PIN fotodetektora. Na temelju toga, istraživači su 2012. godine primijenili ovaj LiDAR uređaj za snimanje na robote, s dometom detekcije većim od 50 metara i rezolucijom povećanom na 256 × 128.
InGaAs lavinski fotodetektor je vrsta fotodetektora s pojačanjem, kao što je prikazano na strukturnom dijagramu. Elektronsko-šupljinski parovi dobivaju dovoljnu energiju pod djelovanjem električnog polja unutar područja udvostručenja i sudaraju se s atomima kako bi generirali nove elektronsko-šupljinske parove, stvarajući lavinski efekt i udvostručujući neravnotežne nosioce naboja u materijalu. Godine 2013. istraživači su koristili MBE za uzgoj rešetkasto usklađenih InGaAs i InAlAs legura na InP podlogama, modulirajući energiju nosioca promjenama u sastavu legure, debljini epitaksijalnog sloja i dopiranju, maksimizirajući ionizaciju elektrošoka uz minimiziranje ionizacije šupljina. Uz ekvivalentno pojačanje izlaznog signala, APD pokazuje niski šum i nižu tamnu struju. Godine 2016. istraživači su konstruirali eksperimentalnu platformu za aktivno lasersko snimanje od 1570 nm temeljenu na InGaAs lavinskim fotodetektorima. Unutarnji krugAPD fotodetektorprimaju odjeke i izravno šalju 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 u Zoni C ima određenu dubinsku udaljenost od Zona A i B. Ova platforma postiže širinu impulsa manju od 10 ns, podesivu energiju pojedinačnog impulsa (1-3) mJ, kut vidnog polja od 2° za odašiljačke i prijemne leće, brzinu ponavljanja od 1 kHz i radni ciklus detektora od približno 60%. Zahvaljujući unutarnjem pojačanju fotostruje, brzom odzivu, kompaktnoj veličini, izdržljivosti i niskoj cijeni APD-a, APD fotodetektori mogu postići brzinu detekcije koja je za red veličine veća od PIN fotodetektora. Stoga trenutno glavni laserski radar uglavnom koristi lavinske fotodetektore.