StrukturaFotodetektor InGaAs
Od lat 80. XX wieku naukowcy badają strukturę fotodetektorów InGaAs, które można podzielić na trzy główne typy: metal InGaAs półprzewodnik metalfotodetektory(MSM-PD), InGaAsFotodetektory PIN(PIN-PD) i InGaAsfotodetektory lawinowe(APD-PD). Istnieją znaczne różnice w procesie produkcji i koszcie fotodetektorów InGaAs o różnych strukturach, a także znaczne różnice w wydajności urządzeń.
Na rysunku przedstawiono schemat struktury fotodetektora metal-półprzewodnik InGaAs, który 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 wytworzenia warstw epitaksjalnych i przygotowania fotodetektorów InGaAs MSM. Urządzenie charakteryzuje się wysoką czułością 0,42 A/W przy długości fali 1,3 μm i prądem ciemnym mniejszym niż 5,6 pA/μm² przy napięciu 1,5 V. W 1996 roku naukowcy wykorzystali epitaksję z wiązek molekularnych w fazie gazowej (GSMBE) do wytworzenia warstw epitaksjalnych InAlAs InGaAs InP, które charakteryzowały się wysoką rezystywnością. Warunki wzrostu zoptymalizowano za pomocą pomiarów dyfrakcji rentgenowskiej, co zaowocowało niedopasowaniem sieci między warstwami InGaAs i InAlAs w zakresie 1 × 10 ⁻ ³. W rezultacie zoptymalizowano wydajność urządzenia, uzyskując prąd ciemny mniejszy niż 0,75 pA/μ m² przy napięciu 10 V i szybką odpowiedź przejściową 16 ps przy napięciu 5 V. Ogólnie rzecz biorąc, fotodetektor struktury MSM ma prostą i łatwą do zintegrowania strukturę, charakteryzującą się niższym prądem ciemnym (na poziomie pA), ale metalowa elektroda zmniejsza efektywny obszar absorpcji światła urządzenia, co skutkuje niższą czułością w porównaniu z innymi strukturami.
Fotodetektor InGaAs PIN posiada warstwę wewnętrzną wstawioną pomiędzy warstwę kontaktową typu P a warstwę kontaktową typu N, jak pokazano na rysunku. Zwiększa to szerokość obszaru zubożenia, emitując w ten sposób więcej par elektronowo-dziurowych i generując większy fotoprąd, a tym samym wykazując doskonałą przewodność elektronową. W 2007 roku naukowcy wykorzystali metodę MBE do wytworzenia niskotemperaturowych warstw buforowych, poprawiając chropowatość powierzchni i eliminując niedopasowanie sieci między Si i InP. Zintegrowali struktury InGaAs PIN na podłożach InP za pomocą metody MOCVD, a czułość urządzenia wyniosła około 0,57 A/W. W 2011 roku naukowcy wykorzystali fotodetektory PIN do opracowania urządzenia obrazowania LiDAR krótkiego zasięgu do nawigacji, unikania przeszkód/kolizji oraz wykrywania/rozpoznawania celów przez małe bezzałogowe pojazdy naziemne. Urządzenie zostało zintegrowane z niedrogim układem wzmacniacza mikrofalowego, co znacznie poprawiło stosunek sygnału do szumu fotodetektorów InGaAs PIN. Na tej podstawie w 2012 roku naukowcy zastosowali to urządzenie obrazujące LiDAR w robotach, zapewniając zasięg wykrywania ponad 50 metrów i rozdzielczość zwiększoną do 256 × 128.
Fotodetektor lawinowy InGaAs to rodzaj fotodetektora ze wzmocnieniem, jak pokazano na schemacie strukturalnym. Pary elektronowo-dziurowe uzyskują wystarczającą energię pod działaniem pola elektrycznego wewnątrz obszaru podwojenia i zderzają się z atomami, generując nowe pary elektronowo-dziurowe, tworząc efekt lawinowy i podwajając nierównowagowe nośniki ładunku w materiale. W 2013 roku naukowcy wykorzystali metodę MBE do wyhodowania stopów InGaAs i InAlAs o dopasowanej sieci krystalicznej na podłożach InP, modulując energię nośników poprzez zmiany składu stopu, grubości warstwy epitaksjalnej i domieszkowania, maksymalizując jonizację elektrowstrząsową przy jednoczesnej minimalizacji jonizacji dziur. Przy równoważnym wzmocnieniu sygnału wyjściowego, fotodetektor APD charakteryzuje się niskim poziomem szumów i niższym prądem ciemnym. W 2016 roku naukowcy zbudowali eksperymentalną platformę do obrazowania laserowego 1570 nm opartą na fotodetektorach lawinowych InGaAs. Wewnętrzny obwódFotodetektor APDodebranych ech i bezpośrednio wyjściowych sygnałów cyfrowych, dzięki czemu całe urządzenie jest kompaktowe. Wyniki eksperymentów przedstawiono na rysunkach (d) i (e). Rysunek (d) jest fizycznym zdjęciem obiektu obrazowania, a rysunek (e) trójwymiarowym obrazem odległości. Można wyraźnie zobaczyć, że obszar okna w strefie C ma pewną odległość głębokości od stref A i B. Platforma ta osiąga szerokość impulsu mniejszą niż 10 ns, regulowaną energię pojedynczego impulsu (1-3) mJ, kąt pola widzenia 2° dla soczewek nadawczych i odbiorczych, częstotliwość repetycji 1 kHz i współczynnik wypełnienia detektora około 60%. Dzięki wewnętrznemu wzmocnieniu fotoprądu, szybkiej reakcji, kompaktowym rozmiarom, trwałości i niskiemu kosztowi APD, fotodetektory APD mogą osiągnąć wskaźnik detekcji o rząd wielkości wyższy niż fotodetektory PIN. Dlatego obecnie główny radar laserowy wykorzystuje głównie fotodetektory lawinowe.
Czas publikacji: 11-02-2026