StrukturaFotodetektor InGaAs
Od lat 80-tych XX wieku badacze w kraju i za granicą badają budowę fotodetektorów InGaAs, które dzieli się głównie na trzy typy. Są to fotodetektor metal-półprzewodnik-metal InGaAs (MSM-PD), fotodetektor PIN InGaAs (PIN-PD) i fotodetektor lawinowy InGaAs (APD-PD). Istnieją znaczne różnice w procesie wytwarzania i kosztach fotodetektorów InGaAs o różnych strukturach, a także istnieją duże różnice w wydajności urządzeń.
InGaAs metal-półprzewodnik-metalfotodetektor, pokazana na rysunku (a), jest specjalną konstrukcją opartą na węźle Schottky’ego. W 1992 roku Shi i in. zastosował niskociśnieniową technologię epitaksji metaloorganicznej w fazie gazowej (LP-MOVPE) do wzrostu warstw epitaksji i przygotował fotodetektor InGaAs MSM, który charakteryzuje się wysoką reakcją 0,42 A/W przy długości fali 1,3 μm i prądem ciemnym mniejszym niż 5,6 pA/ μm² przy 1,5 V. W 1996 r. Zhang i in. wykorzystali epitaksję z wiązek molekularnych w fazie gazowej (GSMBE) do wyhodowania warstwy epitaksji InAlAs-InGaAs-InP. Warstwa InAlAs charakteryzowała się wysoką rezystywnością, a warunki wzrostu zoptymalizowano poprzez pomiar dyfrakcji promieni rentgenowskich, tak aby niedopasowanie sieci pomiędzy warstwami InGaAs i InAlAs mieściło się w zakresie 1×10⁻³. Skutkuje to zoptymalizowaną wydajnością urządzenia przy prądzie ciemnym poniżej 0,75 pA/μm² przy 10 V i szybką reakcją na stany przejściowe do 16 ps przy 5 V. Ogólnie rzecz biorąc, fotodetektor o strukturze MSM jest prosty i łatwy do zintegrowania, wykazując niski prąd ciemny (pA kolejność), ale elektroda metalowa zmniejszy efektywny obszar pochłaniania światła przez urządzenie, więc odpowiedź jest niższa niż w przypadku innych konstrukcji.
Fotodetektor PIN InGaAs umieszcza warstwę wewnętrzną pomiędzy warstwą kontaktową typu P a warstwą kontaktową typu N, jak pokazano na rysunku (b), co zwiększa szerokość obszaru zubożonego, emitując w ten sposób więcej par elektron-dziura i tworząc większy fotoprąd, dzięki czemu ma doskonałą wydajność przewodzenia elektronów. W 2007 roku A.Poloczek i in. wykorzystali MBE do wyhodowania niskotemperaturowej warstwy buforowej w celu poprawy chropowatości powierzchni i przezwyciężenia niedopasowania sieci między Si i InP. Do zintegrowania struktury PIN InGaAs na podłożu InP wykorzystano MOCVD, a responsywność urządzenia wyniosła około 0,57A/W. W 2011 r. Wojskowe Laboratorium Badawcze (ALR) wykorzystało fotodetektory PIN do badań skanera LiDAR do celów nawigacji, unikania przeszkód/kolizji oraz wykrywania/identyfikacji celów krótkiego zasięgu dla małych bezzałogowych pojazdów naziemnych, zintegrowanego z niedrogim chipem wzmacniacza mikrofalowego, który znacząco poprawił stosunek sygnału do szumu fotodetektora PIN InGaAs. Na tej podstawie w 2012 roku firma ALR zastosowała w robotach ten imager LIDAR o zasięgu detekcji większym niż 50 m i rozdzielczości 256 × 128.
InGaAsfotodetektor lawinowyjest rodzajem fotodetektora ze wzmocnieniem, którego budowę pokazano na rysunku (c). Para elektron-dziura uzyskuje pod wpływem pola elektrycznego wewnątrz obszaru podwojenia wystarczającą energię, aby zderzyć się z atomem, wygenerować nowe pary elektron-dziura, wywołać efekt lawinowy i zwielokrotnić nierównowagowe nośniki w materiale . W 2013 roku George M wykorzystał MBE do hodowli stopów InGaAs i InAlAs o dopasowanej siatce na podłożu InP, wykorzystując zmiany w składzie stopu, grubości warstwy epitaksjalnej i domieszkowanie modulowanej energii nośnika, aby zmaksymalizować jonizację elektrowstrząsową przy jednoczesnej minimalizacji jonizacji dziur. Przy równoważnym wzmocnieniu sygnału wyjściowego APD wykazuje niższy poziom szumów i niższy prąd ciemny. W 2016 r. Sun Jianfeng i in. zbudował zestaw eksperymentalnej platformy do eksperymentalnego obrazowania laserowego aktywnego o długości fali 1570 nm, opartej na fotodetektorze lawinowym InGaAs. Obwód wewnętrznyFotodetektor APDodbiera echa i bezpośrednio wysyła sygnały cyfrowe, dzięki czemu całe urządzenie jest kompaktowe. Wyniki eksperymentów przedstawiono na FIG. (d) i (e). Rysunek (d) to fizyczne zdjęcie celu obrazowania, a rysunek (e) to trójwymiarowy obraz odległości. Można wyraźnie zauważyć, że powierzchnia 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 z możliwością regulacji, 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 niskiemu kosztowi, fotodetektory APD mogą mieć o rząd wielkości wyższą skuteczność detekcji niż fotodetektory PIN, dlatego obecnie główny nurt LIDAR jest zdominowany głównie przez fotodetektory lawinowe.
Ogólnie rzecz biorąc, wraz z szybkim rozwojem technologii przygotowania InGaAs w kraju i za granicą, możemy umiejętnie wykorzystać technologie MBE, MOCVD, LPE i inne do przygotowania wielkopowierzchniowej, wysokiej jakości warstwy epitaksjalnej InGaAs na podłożu InP. Fotodetektory InGaAs charakteryzują się niskim prądem ciemnym i wysoką responsywnością, najniższy prąd ciemny jest niższy niż 0,75 pA/μm², maksymalna responsywność wynosi do 0,57 A/W i charakteryzuje się szybką reakcją przejściową (rząd ps). Przyszły rozwój fotodetektorów InGaAs będzie skupiał się na dwóch następujących aspektach: (1) Warstwa epitaksjalna InGaAs jest hodowana bezpośrednio na podłożu Si. Obecnie większość urządzeń mikroelektronicznych dostępnych na rynku jest oparta na Si, a ogólny trend stanowi późniejszy zintegrowany rozwój InGaAs i Si. Rozwiązywanie problemów, takich jak niedopasowanie sieci i różnica współczynników rozszerzalności cieplnej, ma kluczowe znaczenie w badaniu InGaAs/Si; (2) Technologia długości fali 1550 nm jest już dojrzała, a przyszły kierunek badań to rozszerzona długość fali (2,0 ~ 2,5) μm. Wraz ze wzrostem składników In niedopasowanie sieci między podłożem InP a warstwą epitaksjalną InGaAs będzie prowadzić do poważniejszych dyslokacji i defektów, dlatego konieczna jest optymalizacja parametrów procesu urządzenia, redukcja defektów sieci i zmniejszenie prądu ciemnego urządzenia.
Czas publikacji: 6 maja 2024 r