Struktura fotodetektoru InGaAs

StrukturaInGaAs fotodetektor

Od 80. let 20. století se domácí i zahraniční vědci zabývají studiem struktury fotodetektorů InGaAs, které se dělí hlavně na tři typy. Jsou to fotodetektory typu kov-polovodič-kov InGaAs (MSM-PD), PIN fotodetektory InGaAs (PIN-PD) a lavinové fotodetektory InGaAs (APD-PD). Mezi fotodetektory InGaAs s různými strukturami existují značné rozdíly ve výrobním procesu a ceně a také velké rozdíly ve výkonu zařízení.

InGaAs kov-polovodič-kovfotodetektor, znázorněná na obrázku (a), je speciální struktura založená na Schottkyho přechodu. V roce 1992 Shi a kol. použili nízkotlakou technologii epitaxe z plynné fáze s organickými složkami kovu a organických sloučenin (LP-MOVPE) k růstu epitaxních vrstev a připravili fotodetektor InGaAs MSM, který má vysokou citlivost 0,42 A/W při vlnové délce 1,3 μm a temný proud nižší než 5,6 pA/μm² při 1,5 V. V roce 1996 Zhang a kol. použili epitaxi z plynné fáze s molekulárním svazkem (GSMBE) k růstu epitaxní vrstvy InAlAs-InGaAs-InP. Vrstva InAlAs vykazovala vysoké charakteristiky rezistivity a podmínky růstu byly optimalizovány měřením rentgenové difrakce, takže mřížkový nesoulad mezi vrstvami InGaAs a InAlAs byl v rozsahu 1×10⁻³. Výsledkem je optimalizovaný výkon zařízení s temným proudem pod 0,75 pA/μm² při 10 V a rychlou přechodovou odezvou až 16 ps při 5 V. Celkově je fotodetektor se strukturou MSM jednoduchý a snadno integrovatelný, vykazuje nízký temný proud (řádu pA), ale kovová elektroda snižuje efektivní plochu absorpce světla zařízením, takže odezva je nižší než u jiných struktur.

PIN fotodetektor InGaAs vkládá vnitřní vrstvu mezi kontaktní vrstvu typu P a kontaktní vrstvu typu N, jak je znázorněno na obrázku (b), což zvětšuje šířku oblasti vyčerpání, a tím vyzařuje více elektron-děrových párů a vytváří větší fotoproud, takže má vynikající výkon v oblasti vedení elektronů. V roce 2007 A. Poloczek a kol. použili MBE k vytvoření nízkoteplotní vyrovnávací vrstvy za účelem zlepšení drsnosti povrchu a překonání mřížkového nesouladu mezi Si a InP. MOCVD byl použit k integraci PIN struktury InGaAs na substrát InP a citlivost zařízení byla přibližně 0,57 A/W. V roce 2011 Armádní výzkumná laboratoř (ALR) použila PIN fotodetektory ke studiu liDAR zobrazovače pro navigaci, vyhýbání se překážkám/srážkám a detekci/identifikaci cílů na krátkou vzdálenost pro malá bezpilotní pozemní vozidla, integrovaného s levným mikrovlnným zesilovacím čipem, který výrazně zlepšil poměr signálu k šumu PIN fotodetektoru InGaAs. Na tomto základě společnost ALR v roce 2012 použila tento liDAR zobrazovací přístroj pro roboty s detekčním dosahem více než 50 m a rozlišením 256 × 128.

InGaAslavinový fotodetektorje druh fotodetektoru se zesílením, jehož struktura je znázorněna na obrázku (c). Elektron-dírový pár získává působením elektrického pole uvnitř oblasti zdvojení dostatek energie, aby se srazil s atomem, generoval nové elektron-dírové páry, vytvořil lavinový efekt a znásobil nerovnovážné nosiče náboje v materiálu. V roce 2013 George M. použil MBE k pěstování slitin InGaAs a InAlAs s mřížkově sladěnými prvky na substrátu InP, přičemž za použití změn ve složení slitiny, tloušťky epitaxní vrstvy a dopování moduloval energii nosičů náboje, aby maximalizoval ionizaci elektrošoky a zároveň minimalizoval ionizaci děr. Při ekvivalentním zesílení výstupního signálu vykazuje APD nižší šum a nižší temný proud. V roce 2016 Sun Jianfeng a kol. postavili sadu experimentální platformy pro aktivní laserové zobrazování o vlnové délce 1570 nm založenou na lavinovém fotodetektoru InGaAs. Vnitřní obvodAPD fotodetektorpřijímal ozvěny a přímo vydával digitální signály, čímž se celé zařízení stává kompaktním. Experimentální výsledky jsou znázorněny na obr. (d) a (e). Obrázek (d) je fyzická fotografie zobrazovaného cíle a obrázek (e) je trojrozměrný snímek vzdálenosti. Je jasně vidět, že oblast okna oblasti c má určitou hloubkovou vzdálenost s oblastmi A a b. Platforma dosahuje šířky pulzu menší než 10 ns, energie jednoho pulzu (1 ~ 3) mJ nastavitelná, úhel zorného pole přijímací čočky 2°, opakovací frekvence 1 kHz a střídy detektoru přibližně 60 %. Díky internímu zesílení fotoproudu APD, rychlé odezvě, kompaktním rozměrům, odolnosti a nízkým nákladům mohou mít fotodetektory APD řádově vyšší detekční rychlost než fotodetektory PIN, takže v současné době je liDAR běžně využíván převážně lavinovými fotodetektory.

Celkově vzato, s rychlým rozvojem technologie přípravy InGaAs v tuzemsku i v zahraničí, můžeme obratně využívat technologie MBE, MOCVD, LPE a další k přípravě velkoplošné vysoce kvalitní epitaxní vrstvy InGaAs na substrátu InP. Fotodetektory InGaAs vykazují nízký temný proud a vysokou citlivost, nejnižší temný proud je nižší než 0,75 pA/μm², maximální citlivost je až 0,57 A/W a mají rychlou přechodovou odezvu (řádu ps). Budoucí vývoj fotodetektorů InGaAs se zaměří na následující dva aspekty: (1) Epitaxní vrstva InGaAs se pěstuje přímo na substrátu Si. V současné době je většina mikroelektronických zařízení na trhu založena na Si a následný integrovaný vývoj InGaAs a Si je obecným trendem. Řešení problémů, jako je nesoulad mřížky a rozdíl v koeficientu tepelné roztažnosti, je klíčové pro studium InGaAs/Si; (2) Technologie vlnové délky 1550 nm je vyzrálá a prodloužená vlnová délka (2,0 ~ 2,5) μm je budoucím směrem výzkumu. S nárůstem obsahu složek In povede nesoulad mřížky mezi substrátem InP a epitaxní vrstvou InGaAs k závažnějším dislokacím a defektům, takže je nutné optimalizovat procesní parametry zařízení, omezit mřížkové defekty a snížit temný proud zařízení.