Struktura InGaAs fotodetektora

StrukturaInGaAs fotodetektor

Od 1980-ih, istraživači u zemlji i inostranstvu proučavali su strukturu InGaAs fotodetektora, koji su uglavnom podijeljeni u tri tipa. To su fotodetektor InGaAs metal-poluvodič-metal (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) i InGaAs lavinski fotodetektor (APD-PD). Postoje značajne razlike u procesu proizvodnje i ceni InGaAs fotodetektora sa različitim strukturama, a postoje i velike razlike u performansama uređaja.

InGaAs metal-poluprovodnik-metalfotodetektor, prikazan na slici (a), je posebna struktura zasnovana na Schottkyjevom spoju. Godine 1992, Shi et al. koristio je tehnologiju epitaksije metal-organske parne faze niskog pritiska (LP-MOVPE) za uzgoj epitaksijskih slojeva i pripremio InGaAs MSM fotodetektor, koji ima visok odziv od 0,42 A/W na talasnoj dužini od 1,3 μm i tamnu struju nižu od 5,6 pA/ μm² na 1,5 V. Godine 1996, zhang et al. koristio je epitaksiju molekularnog zraka (GSMBE) za uzgoj InAlAs-InGaAs-InP epitaksijskog sloja. InAlAs sloj je pokazao karakteristike visoke otpornosti, a uslovi rasta su optimizovani merenjem difrakcije rendgenskih zraka, tako da je neusklađenost rešetke između slojeva InGaAs i InAlAs bila u rasponu od 1×10⁻³. Ovo rezultira optimiziranim performansama uređaja sa tamnom strujom ispod 0,75 pA/μm² na 10 V i brzim prolaznim odzivom do 16 ps na 5 V. U cjelini, fotodetektor MSM strukture je jednostavan i lak za integraciju, pokazujući nisku tamnu struju (pA reda), ali će metalna elektroda smanjiti efektivno područje apsorpcije svjetlosti uređaja, tako da je odziv manji od ostalih struktura.

InGaAs PIN fotodetektor ubacuje unutrašnji sloj između kontaktnog sloja P-tipa i kontaktnog sloja N-tipa, kao što je prikazano na slici (b), što povećava širinu područja iscrpljivanja, čime se zrači više parova elektron-rupa i formira veća fotostruja, tako da ima odlične performanse elektronske provodljivosti. U 2007. godini, A.Poloczek et al. koristio je MBE za uzgoj niskotemperaturnog tampon sloja kako bi poboljšao hrapavost površine i prevazišao neusklađenost rešetke između Si i InP. MOCVD je korišten za integraciju InGaAs PIN strukture na InP supstratu, a odziv uređaja je bio oko 0,57 A/W. Godine 2011. Laboratorija za istraživanje vojske (ALR) koristila je PIN fotodetektore za proučavanje liDAR snimača za navigaciju, izbjegavanje prepreka/sudara i detekciju/identifikacija ciljeva kratkog dometa za mala bespilotna kopnena vozila, integrirana s jeftinim mikrovalnim pojačalom čipom koji značajno poboljšao odnos signal-šum InGaAs PIN fotodetektora. Na osnovu toga, ALR je 2012. godine koristio ovaj liDAR imidžer za robote, s dometom detekcije većim od 50 m i rezolucijom od 256 × 128.

The InGaAsfotodetektor lavineje vrsta fotodetektora sa pojačanjem, čija je struktura prikazana na slici (c). Par elektron-rupa dobiva dovoljno energije pod djelovanjem električnog polja unutar područja udvostručavanja, kako bi se sudario s atomom, generirao nove parove elektron-rupa, formirao efekat lavine i umnožavao neravnotežne nosioce u materijalu. . Godine 2013, George M je koristio MBE za uzgoj InGaAs i InAlAs legura usklađenih s rešetkom na InP supstratu, koristeći promjene u sastavu legure, debljini epitaksijalnog sloja i dopingu modulirane energije nosača kako bi se maksimizirala ionizacija elektrošokova uz minimaliziranje ionizacije rupa. Na ekvivalentnom pojačanju izlaznog signala, APD pokazuje manji šum i nižu tamnu struju. U 2016, Sun Jianfeng et al. izgradio set eksperimentalne platforme za aktivno snimanje laserom od 1570 nm baziranu na InGaAs lavinskom fotodetektoru. Unutrašnje kolo odAPD fotodetektorprimaju odjeke i direktno izlaze digitalne signale, čineći cijeli uređaj kompaktnim. Eksperimentalni rezultati su prikazani na Sl. (d) i (e). Slika (d) je fizička fotografija mete za snimanje, a slika (e) je trodimenzionalna slika udaljenosti. Jasno se može vidjeti da površina prozora površine c ima određenu dubinu sa površinama A i b. Platforma ostvaruje širinu impulsa manju od 10 ns, podesivu energiju pojedinačnog impulsa (1 ~ 3) mJ, ugao prijemnog polja sočiva od 2°, frekvenciju ponavljanja od 1 kHz, omjer rada detektora oko 60%. Zahvaljujući APD-ovom internom pojačanju fotostruje, brzom odzivu, kompaktnoj veličini, izdržljivosti i niskoj cijeni, APD fotodetektori mogu biti za red veličine veći u stopi detekcije od PIN fotodetektora, tako da trenutnim mainstream liDAR-om uglavnom dominiraju lavinski fotodetektori.

Sve u svemu, uz brz razvoj tehnologije pripreme InGaAs u zemlji i inostranstvu, možemo vješto koristiti MBE, MOCVD, LPE i druge tehnologije za pripremu visokokvalitetnog InGaAs epitaksijalnog sloja velike površine na InP supstratu. InGaAs fotodetektori pokazuju nisku tamnu struju i visok odziv, najniža tamna struja je niža od 0,75 pA/μm², maksimalni odziv je do 0,57 A/W, i imaju brz prolazni odziv (ps red). Budući razvoj InGaAs fotodetektora će se fokusirati na sljedeća dva aspekta: (1) InGaAs epitaksijalni sloj se direktno uzgaja na Si supstratu. Trenutno je većina mikroelektronskih uređaja na tržištu bazirana na Si, a kasniji integrirani razvoj InGaAs i Si baziranog je opći trend. Rješavanje problema kao što su neusklađenost rešetke i razlika koeficijenta toplinskog širenja je ključno za proučavanje InGaAs/Si; (2) Tehnologija talasne dužine od 1550 nm je zrela, a proširena talasna dužina (2,0 ~ 2,5) μm je budući pravac istraživanja. Sa povećanjem komponenti In, neusklađenost rešetke između InP supstrata i InGaAs epitaksijalnog sloja će dovesti do ozbiljnijih dislokacija i defekata, pa je potrebno optimizirati procesne parametre uređaja, smanjiti defekte rešetke i smanjiti tamnu struju uređaja.