Struktura fotodetektora InGaAs

StrukturaFotodetektor InGaAs

Od lat 80. XX wieku badacze w kraju i za granicą badali strukturę fotodetektorów InGaAs, które dzielą się głównie na trzy typy. Są to fotodetektor InGaAs metal-Semiconductor-metal (MSM-PD), fotodetektor InGaAs PIN (PIN-PD) i fotodetektor InGaAs Avalanche (APD-PD). Istnieją znaczne różnice w procesie produkcji i koszcie fotodetektorów InGaAs o różnych strukturach, a także duże różnice w wydajności urządzeń.

InGaAs metal-półprzewodnik-metalfotodetektor, pokazany na rysunku (a), jest specjalną strukturą opartą na złączu Schottky'ego. W 1992 roku Shi i in. zastosowali technologię niskociśnieniowej epitaksji z fazy gazowej związków metaloorganicznych (LP-MOVPE) do wyhodowania warstw epitaksjalnych i przygotowali fotodetektor InGaAs MSM, który ma wysoką czułość A wynoszącą 0,42 A/W przy długości fali 1,3 μm i prąd ciemny niższy niż 5,6 pA/ μm² przy 1,5 V. W 1996 roku Zhang i in. zastosowali epitaksję z wiązki molekularnej w fazie gazowej (GSMBE) do wyhodowania warstwy epitaksjalnej InAlAs-InGaAs-InP. Warstwa InAlAs wykazała wysokie charakterystyki rezystywności, a warunki wzrostu zostały zoptymalizowane za pomocą pomiaru dyfrakcji rentgenowskiej, tak aby niedopasowanie sieci między warstwami InGaAs i InAlAs mieściło się w zakresie 1×10⁻³. Daje to zoptymalizowaną wydajność urządzenia z prądem ciemnym poniżej 0,75 pA/μm² przy 10 V i szybką odpowiedzią przejściową do 16 ps przy 5 V. Ogólnie rzecz biorąc, fotodetektor struktury MSM jest prosty i łatwy do zintegrowania, wykazując niski prąd ciemny (rząd pA), ale elektroda metalowa zmniejszy efektywny obszar absorpcji światła urządzenia, więc odpowiedź jest niższa niż w przypadku innych struktur.

Fotodetektor InGaAs PIN wstawia wewnętrzną warstwę pomiędzy warstwę kontaktową typu P i warstwę kontaktową typu N, jak pokazano na rysunku (b), co zwiększa szerokość obszaru zubożenia, emitując w ten sposób więcej par elektron-dziura i tworząc większy fotoprąd, dzięki czemu ma on doskonałe parametry przewodzenia elektronów. W 2007 r. A. Poloczek i in. zastosowali MBE do wyhodowania niskotemperaturowej warstwy buforowej w celu poprawy chropowatości powierzchni i przezwyciężenia niedopasowania sieci między Si i InP. MOCVD został użyty do zintegrowania struktury InGaAs PIN na podłożu InP, a czułość urządzenia wynosiła około 0,57 A / W. W 2011 r. Army Research Laboratory (ALR) wykorzystało fotodetektory PIN do zbadania urządzenia do obrazowania lidarowego do nawigacji, unikania przeszkód/kolizji i wykrywania/identyfikacji celów krótkiego zasięgu dla małych bezzałogowych pojazdów naziemnych, zintegrowanego z niedrogim układem wzmacniacza mikrofalowego, który znacznie poprawił stosunek sygnału do szumu fotodetektora InGaAs PIN. Na tej podstawie w 2012 r. ALR wykorzystało ten czujnik lidarowy do robotów o zasięgu wykrywania ponad 50 m i rozdzielczości 256 × 128.

InGaAsfotodetektor lawinowyjest rodzajem fotodetektora ze wzmocnieniem, którego struktura jest pokazana na rysunku (c). Para elektron-dziura uzyskuje wystarczającą energię pod wpływem pola elektrycznego wewnątrz obszaru podwojenia, aby zderzyć się z atomem, wygenerować nowe pary elektron-dziura, utworzyć efekt lawinowy i zwielokrotnić nośniki nierównowagowe w materiale. W 2013 roku George M użył MBE do wyhodowania dopasowanych do sieci stopów InGaAs i InAlAs na podłożu InP, wykorzystując zmiany w składzie stopu, grubości warstwy epitaksjalnej i domieszkowanie do modulowanej energii nośników w celu zmaksymalizowania jonizacji elektrowstrząsowej przy jednoczesnej minimalizacji jonizacji dziur. Przy równoważnym wzmocnieniu sygnału wyjściowego APD wykazuje niższy szum i niższy prąd ciemny. W 2016 roku Sun Jianfeng i in. zbudowali zestaw 1570 nm platformy eksperymentalnej do obrazowania laserowego opartej na fotodetektorze lawinowym InGaAs. Wewnętrzny obwódFotodetektor APDodebranych ech i bezpośrednio wyjściowych sygnałów cyfrowych, dzięki czemu całe urządzenie jest kompaktowe. Wyniki eksperymentów przedstawiono na FIG. (d) i (e). Rysunek (d) jest fizycznym zdjęciem celu obrazowania, a rysunek (e) jest trójwymiarowym obrazem odległości. Można wyraźnie zobaczyć, że obszar okna obszaru c ma pewną odległość głębokości z obszarem A i b. Platforma realizuje szerokość impulsu mniejszą niż 10 ns, pojedynczą energię impulsu (1 ~ 3) mJ regulowaną, kąt pola soczewki odbiorczej 2°, częstotliwość powtarzania 1 kHz, współczynnik wypełnienia detektora około 60%. Dzięki wewnętrznemu wzmocnieniu fotoprądu APD, szybkiej reakcji, kompaktowym rozmiarom, trwałości i niskim kosztom, fotodetektory APD mogą mieć rząd wielkości wyższy wskaźnik wykrywania niż fotodetektory PIN, więc obecny główny nurt lidarów jest zdominowany głównie przez fotodetektory lawinowe.

Ogólnie rzecz biorąc, dzięki szybkiemu rozwojowi technologii przygotowania InGaAs w kraju i za granicą, możemy umiejętnie wykorzystywać MBE, MOCVD, LPE i inne technologie do przygotowywania wysokiej jakości warstwy epitaksjalnej InGaAs o dużej powierzchni na podłożu InP. Fotodetektory InGaAs wykazują niski prąd ciemny i wysoką czułość, najniższy prąd ciemny jest niższy niż 0,75 pA/μm², maksymalna czułość wynosi do 0,57 A/W i ma szybką odpowiedź przejściową (rząd ps). Przyszły rozwój fotodetektorów InGaAs będzie koncentrował się na następujących dwóch aspektach: (1) Warstwa epitaksjalna InGaAs jest bezpośrednio hodowana na podłożu Si. Obecnie większość urządzeń mikroelektronicznych na rynku jest oparta na Si, a późniejszy zintegrowany rozwój InGaAs i Si jest ogólnym trendem. Rozwiązywanie problemów, takich jak niedopasowanie sieci i różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej, ma kluczowe znaczenie dla badania InGaAs/Si; (2) Technologia długości fali 1550 nm jest dojrzała, a rozszerzona długość fali (2,0 ~ 2,5) μm jest przyszłym kierunkiem badań. Wraz ze wzrostem składników In, niedopasowanie sieci między podłożem InP a warstwą epitaksjalną InGaAs będzie prowadzić do poważniejszych dyslokacji i defektów, dlatego konieczne jest zoptymalizowanie parametrów procesu urządzenia, zmniejszenie defektów sieci i zmniejszenie ciemnego prądu urządzenia.