Struktura fotodetektora InGaAs

StrukturaFotodetektor InGaAs

Od lat 80. XX wieku naukowcy w kraju i za granicą badają strukturę fotodetektorów InGaAs, które dzielą się na trzy główne typy: fotodetektor metal-półprzewodnik-metal InGaAs (MSM-PD), fotodetektor PIN InGaAs (PIN-PD) oraz fotodetektor lawinowy InGaAs (APD-PD). Istnieją znaczne różnice w procesie produkcji i koszcie fotodetektorów InGaAs o różnych strukturach, a także w wydajności urządzeń.

InGaAs metal-półprzewodnik-metalfotodetektor, pokazany na rysunku (a), to specjalna struktura oparta na złączu Schottky'ego. W 1992 roku Shi i in. zastosowali niskociśnieniową technologię epitaksji z fazy gazowej związków metaloorganicznych (LP-MOVPE) do wytworzenia warstw epitaksjalnych i przygotowali fotodetektor InGaAs MSM, który charakteryzuje się wysoką czułością A wynoszącą 0,42 A/W przy długości fali 1,3 μm i prądem ciemnym niższym niż 5,6 pA/μm² przy napięciu 1,5 V. W 1996 roku Zhang i in. zastosowali epitaksję z wiązek molekularnych w fazie gazowej (GSMBE) do wytworzenia warstwy epitaksjalnej InAlAs-InGaAs-InP. Warstwa InAlAs charakteryzowała się wysoką rezystywnością, a warunki wzrostu zoptymalizowano za pomocą pomiaru dyfrakcji rentgenowskiej, tak aby niedopasowanie sieci między warstwami InGaAs i InAlAs mieściło się w zakresie 1×10⁻³. Zapewnia to zoptymalizowaną wydajność urządzenia z prądem ciemnym poniżej 0,75 pA/μm² przy napięciu 10 V i szybką reakcją przejściową do 16 ps przy napięciu 5 V. Ogólnie rzecz biorąc, fotodetektor struktury MSM jest prosty i łatwy w integracji, charakteryzując się niskim prądem ciemnym (rzędu pA), ale metalowa elektroda zmniejsza efektywny obszar absorpcji światła przez urządzenie, przez co reakcja jest niższa niż w przypadku innych struktur.

Fotodetektor InGaAs PIN wstawia warstwę wewnętrzną pomiędzy warstwę kontaktową typu P a warstwę kontaktową typu N, jak pokazano na rysunku (b), co zwiększa szerokość obszaru zubożonego, emitując w ten sposób więcej par elektron-dziura i generując większy fotoprąd, co przekłada się na doskonałe przewodnictwo elektronowe. W 2007 roku A. Poloczek i in. zastosowali metodę MBE do wytworzenia niskotemperaturowej warstwy buforowej, aby poprawić chropowatość powierzchni i zniwelować niedopasowanie sieci między Si a InP. Do zintegrowania struktury InGaAs PIN na podłożu InP zastosowano metodę MOCVD, a czułość urządzenia wyniosła około 0,57 A/W. W 2011 roku Army Research Laboratory (ALR) wykorzystało fotodetektory PIN do badań nad kamerą lidarową do nawigacji, unikania przeszkód/kolizji oraz wykrywania i identyfikacji celów bliskiego zasięgu dla małych bezzałogowych pojazdów naziemnych, zintegrowaną z niedrogim układem wzmacniacza mikrofalowego, który znacząco poprawił stosunek sygnału do szumu fotodetektora PIN InGaAs. Na tej podstawie, w 2012 roku ALR wykorzystało tę kamerę lidarową do robotów, o zasięgu detekcji ponad 50 m i rozdzielczości 256 × 128.

InGaAsfotodetektor lawinowyjest rodzajem fotodetektora ze wzmocnieniem, którego strukturę przedstawiono 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. wykorzystał metodę MBE do wyhodowania stopów InGaAs i InAlAs o dopasowanej sieci krystalicznej na podłożu InP, wykorzystując zmiany w składzie stopu, grubości warstwy epitaksjalnej i domieszkowanie w celu modulacji energii nośników, aby zmaksymalizować jonizację elektrowstrząsową, minimalizując jednocześnie jonizację dziur. Przy równoważnym wzmocnieniu sygnału wyjściowego, APD charakteryzuje się niższym szumem i niższym prądem ciemnym. W 2016 roku Sun Jianfeng i in. zbudowali zestaw eksperymentalnej platformy do obrazowania laserowego o długości fali 1570 nm opartej na fotodetektorze lawinowym InGaAs. Wewnętrzny obwódFotodetektor APDodebranych ech i bezpośrednio wyjściowych sygnałów cyfrowych, dzięki czemu całe urządzenie jest kompaktowe. Wyniki eksperymentów przedstawiono na rys. (d) i (e). Rysunek (d) jest fizycznym zdjęciem obiektu obrazowania, a rysunek (e) jest trójwymiarowym obrazem odległości. Można wyraźnie zobaczyć, że obszar okna obszaru c ma pewną odległość głębokości od obszarów A i b. Platforma realizuje szerokość impulsu mniejszą niż 10 ns, energię pojedynczego 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 współczynnik detekcji 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 stosować MBE, MOCVD, LPE i inne technologie do przygotowania dużej powierzchni wysokiej jakości warstwy epitaksjalnej InGaAs na podłożu InP. Fotodetektory InGaAs charakteryzują się niskim prądem ciemnym i wysoką czułością, 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 skupi 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 opartych na Si jest ogólnym trendem. Rozwiązanie problemów takich jak niedopasowanie sieci i różnica współczynnika rozszerzalności cieplnej ma kluczowe znaczenie dla badania InGaAs/Si; (2) Technologia długości fali 1550 nm jest już dojrzała, a wydłużenie długości fali (2,0–2,5 μm) to przyszły kierunek badań. Wraz ze wzrostem udziału komponentów In, niedopasowanie sieci między podłożem InP a warstwą epitaksjalną InGaAs będzie prowadzić do poważniejszych dyslokacji i defektów, dlatego konieczna jest optymalizacja parametrów procesu wytwarzania urządzenia, redukcja defektów sieci i zmniejszenie prądu ciemnego urządzenia.