Struktura fotodetektoru InGaAs

StrukturaFotodetektor InGaAs

Od 80. let 20. století vědci doma i v zahraničí zkoumali strukturu fotodetektorů InGaAs, které se dělí především na tři typy. Jsou to InGaAs fotodetektor kovu-semivodič-kov (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) a InGaAs lavinový fotodetektor (APD-PD). Existují značné rozdíly ve výrobním procesu a ceně fotodetektorů InGaAs s různými strukturami a také existují velké rozdíly ve výkonu zařízení.

InGaAs kov-polovodič-kovfotodetektor, znázorněný na obrázku (a), je speciální struktura založená na Schottkyho přechodu. V roce 1992 Shi a kol. k růstu epitaxních vrstev použil nízkotlakou technologii metal-organic vapor phase epitaxy (LP-MOVPE) a připravil 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 et al. použili epitaxi molekulárního svazku v plynné fázi (GSMBE) k růstu vrstvy epitaxe InAlAs-InGaAs-InP. Vrstva InAlAs vykazovala vysoké charakteristiky měrného odporu a podmínky růstu byly optimalizovány měřením rentgenové difrakce, takže nesoulad mřížky 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 struktury MSM jednoduchý a snadno se integruje a vykazuje nízký temný proud (pA řádu), ale kovová elektroda sníží efektivní plochu absorpce světla zařízením, takže odezva je nižší než u jiných struktur.

Fotodetektor InGaAs PIN vkládá vnitřní vrstvu mezi kontaktní vrstvu typu P a kontaktní vrstvu typu N, jak je znázorněno na obrázku (b), která zvětšuje šířku oblasti vyčerpání, čímž vyzařuje více párů elektronových děr a vytváří větší fotoproud, takže má vynikající elektronovou vodivost. V roce 2007 A.Poloczek et al. použili MBE k růstu nízkoteplotní vyrovnávací vrstvy pro zlepšení drsnosti povrchu a překonání nesouladu mřížky mezi Si a InP. MOCVD byl použit k integraci InGaAs PIN struktury na InP substrát a odezva zařízení byla asi 0,57A/W. V roce 2011 použila Army Research Laboratory (ALR) fotodetektory PIN ke studiu zobrazovacího zařízení liDAR pro navigaci, vyhýbání se překážkám/kolizi a detekci/identifikaci cílů krátkého dosahu pro malá bezpilotní pozemní vozidla, integrovaný s levným čipem mikrovlnného zesilovače, který výrazně zlepšil poměr signálu k šumu InGaAs PIN fotodetektoru. Na tomto základě v roce 2012 ALR použil tento liDAR imager pro roboty s detekčním dosahem více než 50 ma rozlišením 256 × 128.

InGaAslavinový fotodetektorje druh fotodetektoru se ziskem, jehož struktura je znázorněna na obrázku (c). Pár elektron-díra získává působením elektrického pole uvnitř oblasti zdvojení dostatek energie, aby se srazil s atomem, vytvořil nové páry elektron-díra, vytvořil lavinový efekt a znásobil nerovnovážné nosiče v materiálu. . V roce 2013 George M použil MBE k pěstování mřížkových InGaAs a InAlAs slitin na InP substrátu s využitím změn ve složení slitiny, tloušťky epitaxní vrstvy a dopování na modulovanou nosnou energii, aby se maximalizovala ionizace elektrošokem a zároveň se minimalizovala ionizace otvorů. Při ekvivalentním zesílení výstupního signálu APD vykazuje nižší šum a nižší temný proud. V roce 2016 Sun Jianfeng a spol. postavil sadu 1570 nm laserové aktivní zobrazovací experimentální platformy založené na lavinovém fotodetektoru InGaAs. Vnitřní obvodAPD fotodetektorpřijímané ozvěny a přímý výstup digitálních signálů, díky čemuž je celé zařízení kompaktní. Experimentální výsledky jsou uvedeny na Obr. (d) a (e). Obrázek (d) je fyzická fotografie zobrazovacího cíle a obrázek (e) je trojrozměrný vzdálený obrázek. Je jasně vidět, že oblast okna oblasti c má určitou hloubkovou vzdálenost s oblastí A a b. Platforma realizuje šířku pulsu menší než 10 ns, energii jednoho pulsu (1 ~ 3) mJ nastavitelnou, úhel pole přijímací čočky 2°, opakovací frekvenci 1 kHz, poměr zatížení detektoru asi 60 %. Díky vnitřnímu zesílení fotoproudu APD, rychlé odezvě, kompaktní velikosti, odolnosti a nízké ceně mohou být fotodetektory APD v míře detekce řádově vyšší než fotodetektory PIN, takže současnému mainstreamovému liDARu dominují hlavně lavinové fotodetektory.

Celkově s rychlým rozvojem technologie přípravy InGaAs doma i v zahraničí dokážeme šikovně využít MBE, MOCVD, LPE a další technologie k přípravě velkoplošné vysoce kvalitní epitaxní vrstvy InGaAs na InP substrátu. 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 (řád ps). Budoucí vývoj InGaAs fotodetektorů se zaměří na následující dva aspekty: (1) InGaAs epitaxní vrstva je přímo pěstována na Si substrátu. V současnosti je většina mikroelektronických zařízení na trhu založena na Si a následný integrovaný vývoj InGaAs a Si na bázi je obecným trendem. Řešení problémů, jako je nesoulad mřížky a rozdíl koeficientů tepelné roztažnosti, je pro studium InGaAs/Si klíčové; (2) Technologie vlnové délky 1550 nm je vyspělá a rozšířená vlnová délka (2,0 ~ 2,5) μm je budoucí směr výzkumu. S nárůstem In komponent povede nesoulad mřížky mezi InP substrátem a InGaAs epitaxní vrstvou k závažnějším dislokacím a defektům, takže je nutné optimalizovat parametry procesu zařízení, redukovat vady mřížky a redukovat temný proud zařízení.