Struktura InGaAs fotodetektora

StrukturaInGaAs fotodetektor

Od 1980-ih, istraživači u zemlji i inostranstvu proučavaju strukturu InGaAs fotodetektora, koji su uglavnom podijeljeni u tri tipa. To su InGaAs metal-poluprovodnik-metal fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) i InGaAs lavinski fotodetektor (APD-PD). Postoje značajne razlike u procesu izrade i cijeni InGaAs fotodetektora s 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 i saradnici su koristili tehnologiju epitaksije metal-organske parne faze niskog pritiska (LP-MOVPE) za uzgoj epitaksijalnih slojeva i pripremili InGaAs MSM fotodetektor, koji ima visoku osjetljivost 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 i saradnici su koristili epitaksiju molekularnog snopa gasne faze (GSMBE) za uzgoj epitaksijalnog sloja InAlAs-InGaAs-InP. Sloj InAlAs pokazao je visoke karakteristike otpornosti, a uslovi rasta su optimizovani mjerenjem rendgenske difrakcije, tako da je neusklađenost rešetke između slojeva InGaAs i InAlAs bila u rasponu od 1×10⁻³. Ovo rezultira optimiziranim performansama uređaja sa strujom tame ispod 0,75 pA/μm² na 10 V i brzim prelaznim odzivom do 16 ps na 5 V. U cjelini, fotodetektor MSM strukture je jednostavan i lako se integrira, pokazujući nisku struju tame (reda veličine pA), ali metalna elektroda će smanjiti efektivnu površinu apsorpcije svjetlosti uređaja, tako da je odziv niži nego kod drugih struktura.

InGaAs PIN fotodetektor ubacuje intrinzični sloj između kontaktnog sloja P-tipa i kontaktnog sloja N-tipa, kao što je prikazano na slici (b), što povećava širinu područja osiromašenja, čime se zrači više elektron-šupljinskih parova i formira veća fotostruja, tako da ima odlične performanse provodljivosti elektrona. Godine 2007., A.Poloczek i saradnici su koristili MBE za uzgoj niskotemperaturnog međusloja kako bi poboljšali hrapavost površine i prevazišli neusklađenost rešetke između Si i InP. MOCVD je korišten za integraciju InGaAs PIN strukture na InP podlozi, a odziv uređaja je bio oko 0,57 A/W. Godine 2011., Vojna istraživačka laboratorija (ALR) je koristila PIN fotodetektore za proučavanje liDAR slikovnog uređaja za navigaciju, izbjegavanje prepreka/sudara i detekciju/identifikaciju ciljeva kratkog dometa za mala bespilotna kopnena vozila, integriranog s jeftinim mikrovalnim pojačalom koje je značajno poboljšalo odnos signala i šuma InGaAs PIN fotodetektora. Na osnovu toga, ALR je 2012. godine koristio ovaj liDAR snimač za robote, sa dometom detekcije većim od 50 m i rezolucijom od 256 × 128.

InGaAsfotodetektor lavineje vrsta fotodetektora sa pojačanjem, čija je struktura prikazana na slici (c). Elektron-šupljinski par dobija dovoljno energije pod djelovanjem električnog polja unutar područja udvostručavanja, kako bi se sudario sa atomom, generirao nove elektron-šupljinske parove, formirao lavinski efekat i umnožio neravnotežne nosioce u materijalu. Godine 2013., George M je koristio MBE za uzgoj legura InGaAs i InAlAs sa usklađenom rešetkom na InP podlozi, koristeći promjene u sastavu legure, debljini epitaksijalnog sloja i dopiranju kako bi modulirao energiju nosioca kako bi maksimizirao jonizaciju elektrošoka, a minimizirao jonizaciju šupljina. Pri ekvivalentnom pojačanju izlaznog signala, APD pokazuje niži šum i nižu tamnu struju. Godine 2016., Sun Jianfeng i saradnici su izgradili set eksperimentalne platforme za aktivno lasersko snimanje od 1570 nm zasnovane na lavinskom fotodetektoru InGaAs. Unutrašnje koloAPD fotodetektorprimao jeke i direktno izdavao digitalne signale, čineći cijeli uređaj kompaktnim. Eksperimentalni rezultati su prikazani na slikama (d) i (e). Slika (d) je fizička fotografija cilja snimanja, a slika (e) je trodimenzionalna slika udaljenosti. Jasno se vidi da područje prozora područja c ima određenu dubinsku udaljenost s područjem A i b. Platforma ostvaruje širinu impulsa manju od 10 ns, energiju pojedinačnog impulsa (1 ~ 3) mJ podesivu, ugao polja prijemnog sočiva od 2°, frekvenciju ponavljanja od 1 kHz, omjer radnog vremena detektora od oko 60%. Zahvaljujući APD-ovom internom pojačanju fotostruje, brzom odzivu, kompaktnoj veličini, izdržljivosti i niskoj cijeni, APD fotodetektori mogu imati za red veličine veću brzinu detekcije od PIN fotodetektora, tako da trenutni mainstream liDAR uglavnom dominiraju lavinski fotodetektori.

Sveukupno, s brzim razvojem 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 podlozi. 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 brzi prelazni odziv (reda veličine ps). Budući razvoj InGaAs fotodetektora će se fokusirati na sljedeća dva aspekta: (1) InGaAs epitaksijalni sloj se direktno uzgaja na Si podlozi. Trenutno, većina mikroelektronskih uređaja na tržištu je bazirana na Si, a kasniji integrirani razvoj InGaAs i Si baziranih je opći trend. Rješavanje problema kao što su neusklađenost rešetke i razlika u koeficijentu termičkog širenja ključno je za proučavanje InGaAs/Si; (2) Tehnologija valne duljine od 1550 nm je zrela, a proširena valna duljina (2,0 ~ 2,5) μm je budući smjer istraživanja. S povećanjem In komponenti, neusklađenost rešetke između InP supstrata i InGaAs epitaksijalnog sloja dovest će do ozbiljnijih dislokacija i defekata, pa je potrebno optimizirati procesne parametre uređaja, smanjiti defekte rešetke i smanjiti tamnu struju uređaja.