Struktura fotodetektoru InGaAs

StrukturaInGaAs fotodetektor
Od 80. let 20. století vědci studují strukturu fotodetektorů InGaAs, které lze shrnout do tří hlavních typů: kov InGaAs polovodič kovfotodetektory(MSM-PD), InGaAsPIN fotodetektory(PIN-PD) a InGaAslavinové fotodetektory(APD-PD). Existují značné rozdíly ve výrobním procesu a ceně InGaAs fotodetektorů s různými strukturami a také značné rozdíly ve výkonu zařízení.
Schéma struktury kovového polovodičového kovového fotodetektoru InGaAs je znázorněno na obrázku, což je speciální struktura založená na Schottkyho přechodu. V roce 1992 Shi a kol. použili technologii nízkotlaké epitaxe z organické plynné fáze (LP-MOVPE) k růstu epitaxních vrstev a přípravě fotodetektorů InGaAs MSM. Zařízení má vysokou citlivost 0,42 A/W při vlnové délce 1,3 μm a temný proud menší než 5,6 pA/μm² při 1,5 V. V roce 1996 vědci použili epitaxi z molekulárního svazku v plynné fázi (GSMBE) k růstu epitaxních vrstev InAlAs InGaAs InP, které vykazovaly vysoké charakteristiky rezistivity. Růstové podmínky byly optimalizovány pomocí měření rentgenové difrakce, což vedlo k mřížkovému nesouladu mezi vrstvami InGaAs a InAlAs v rozsahu 1 × 10⁻³. Výsledkem byla optimalizace výkonu zařízení s temným proudem menším než 0,75 pA/μ m² při 10 V a rychlou přechodovou odezvou 16 ps při 5 V. Celkově má ​​fotodetektor s MSM strukturou jednoduchou a snadno integrovatelnou strukturu, která vykazuje nižší temný proud (úroveň pA), ale kovová elektroda snižuje efektivní plochu absorpce světla zařízením, což má za následek nižší citlivost ve srovnání s jinými strukturami.

PIN fotodetektor InGaAs má vnitřní vrstvu vloženou mezi kontaktní vrstvu typu P a kontaktní vrstvu typu N, jak je znázorněno na obrázku, která zvětšuje šířku oblasti vyčerpání, čímž vyzařuje více elektronových a děrových párů a vytváří větší fotoproud, a tím vykazuje vynikající elektronickou vodivost. V roce 2007 vědci použili MBE k vytvoření nízkoteplotních vyrovnávacích vrstev, čímž zlepšili drsnost povrchu a překonali nesoulad mřížky mezi Si a InP. Integrovali PIN struktury InGaAs na substráty InP pomocí MOCVD a citlivost zařízení byla přibližně 0,57 A/W. V roce 2011 vědci použili PIN fotodetektory k vývoji zobrazovacího zařízení LiDAR s krátkým dosahem pro navigaci, vyhýbání se překážkám/srážkám a detekci/rozpoznávání cílů malými bezpilotními pozemními vozidly. Zařízení bylo integrováno s levným mikrovlnným zesilovacím čipem, což výrazně zlepšilo poměr signálu k šumu PIN fotodetektorů InGaAs. Na tomto základě vědci v roce 2012 aplikovali toto zobrazovací zařízení LiDAR na roboty s detekčním dosahem přes 50 metrů a rozlišením zvýšeným na 256 × 128.
Lavinový fotodetektor InGaAs je typ fotodetektoru se ziskem, jak je znázorněno na strukturním diagramu. Elektronoděrové páry získávají dostatečnou energii působením elektrického pole uvnitř oblasti zdvojení a srážejí se s atomy, čímž generují nové elektronoděrové páry, čímž vytvářejí lavinový efekt a zdvojnásobují nerovnovážné nosiče náboje v materiálu. V roce 2013 vědci použili MBE k pěstování mřížkově sladěných slitin InGaAs a InAlAs na substrátech InP, přičemž modulovali energii nosičů změnami ve složení slitiny, tloušťce epitaxní vrstvy a dopování, čímž maximalizovali ionizaci elektrošoky a minimalizovali ionizaci děr. Při ekvivalentním zesílení výstupního signálu vykazuje APD nízký šum a nižší temný proud. V roce 2016 vědci zkonstruovali experimentální platformu pro aktivní laserové zobrazování s vlnovou délkou 1570 nm založenou na lavinových fotodetektorech InGaAs. Vnitřní obvod...APD fotodetektorpřijímané ozvěny a přímo vydávané digitální signály, čímž se celé zařízení stává kompaktním. Experimentální výsledky jsou znázorněny na obrázcích (d) a (e). Obrázek (d) je fyzická fotografie zobrazovacího cíle a obrázek (e) je trojrozměrný obraz vzdálenosti. Je jasně vidět, že oblast okna v zóně C má určitou hloubkovou vzdálenost od zón A a B. Tato platforma dosahuje šířky pulzu menší než 10 ns, nastavitelné energie jednoho pulzu (1-3) mJ, zorného pole 2 ° pro vysílací a přijímací čočky, opakovací frekvence 1 kHz a pracovního cyklu detektoru přibližně 60 %. Díky internímu zesílení fotoproudu, rychlé odezvě, kompaktním rozměrům, odolnosti a nízkým nákladům na APD mohou fotodetektory APD dosáhnout detekční rychlosti, která je o řád vyšší než u PIN fotodetektorů. Proto v současné době běžné laserové radarové systémy používají hlavně lavinové fotodetektory.