Štruktúra InGaAs fotodetektora

ŠtruktúraFotodetektor InGaAs

Od 80. rokov 20. storočia výskumníci doma aj v zahraničí študovali štruktúru fotodetektorov InGaAs, ktoré sa delia najmä na tri typy. Sú to InGaAs fotodetektor kovu-polovodič-kov (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) a InGaAs lavínový fotodetektor (APD-PD). Existujú významné rozdiely vo výrobnom procese a nákladoch na fotodetektory InGaAs s rôznymi štruktúrami a tiež existujú veľké rozdiely vo výkone zariadenia.

InGaAs kov-polovodič-kovfotodetektor, znázornená na obrázku (a), je špeciálna štruktúra založená na Schottkyho prechode. V roku 1992 Shi a spol. na rast epitaxných vrstiev použil technológiu nízkotlakovej kovovo-organickej parnej fázy (LP-MOVPE) a pripravil InGaAs MSM fotodetektor, ktorý má vysokú odozvu 0,42 A/W pri vlnovej dĺžke 1,3 μm a tmavý prúd nižší ako 5,6 pA/ μm² pri 1,5 V. V roku 1996 zhang et al. použili epitaxiu molekulárneho lúča v plynnej fáze (GSMBE) na rast epitaxnej vrstvy InAlAs-InGaAs-InP. Vrstva InAlAs vykazovala vysoké charakteristiky odporu a podmienky rastu boli optimalizované meraním rôntgenovej difrakcie, takže nesúlad mriežky medzi vrstvami InGaAs a InAlAs bol v rozsahu 1 × 10⁻³. Výsledkom je optimalizovaný výkon zariadenia s tmavým prúdom pod 0,75 pA/μm² pri 10 V a rýchlou prechodovou odozvou až 16 ps pri 5 V. Celkovo je fotodetektor so štruktúrou MSM jednoduchý a ľahko sa integruje a vykazuje nízky tmavý prúd (pA poriadku), ale kovová elektróda zníži efektívnu oblasť absorpcie svetla zariadenia, takže odozva je nižšia ako u iných štruktúr.

Fotodetektor InGaAs PIN vkladá vnútornú vrstvu medzi kontaktnú vrstvu typu P a kontaktnú vrstvu typu N, ako je znázornené na obrázku (b), čím sa zväčšuje šírka oblasti vyčerpania, čím sa vyžaruje viac párov elektrónových dier a vytvára sa väčší fotoprúd, takže má vynikajúci výkon pri vedení elektrónov. V roku 2007 A.Poloczek a spol. použili MBE na rast nízkoteplotnej vyrovnávacej vrstvy na zlepšenie drsnosti povrchu a prekonanie nesúladu mriežky medzi Si a InP. MOCVD sa použil na integráciu InGaAs PIN štruktúry na InP substráte a odozva zariadenia bola približne 0,57A/W. V roku 2011 použilo armádne výskumné laboratórium (ALR) fotodetektory PIN na štúdium snímača liDAR na navigáciu, vyhýbanie sa prekážkam/kolíziam a detekciu/identifikáciu cieľov krátkeho dosahu pre malé bezpilotné pozemné vozidlá, integrované s lacným čipom mikrovlnného zosilňovača, ktorý výrazne zlepšil pomer signálu k šumu InGaAs PIN fotodetektora. Na tomto základe v roku 2012 ALR použil tento liDAR imager pre roboty s dosahom detekcie viac ako 50 m a rozlíšením 256 × 128.

InGaAslavínový fotodetektorje druh fotodetektora so ziskom, ktorého štruktúra je znázornená na obrázku (c). Pár elektrón-diera získa pôsobením elektrického poľa vo vnútri oblasti zdvojenia dostatok energie na to, aby sa zrazil s atómom, vytvoril nové páry elektrón-diera, vytvoril lavínový efekt a znásobil nerovnovážne nosiče v materiáli. . V roku 2013 George M použil MBE na pestovanie mriežkových zliatin InGaA a InAlAs na substráte InP, pričom využíval zmeny v zložení zliatiny, hrúbku epitaxnej vrstvy a dopovanie modulovanej energie nosiča, aby sa maximalizovala ionizácia elektrošokmi a zároveň sa minimalizovala ionizácia otvorov. Pri ekvivalentnom zosilnení výstupného signálu APD vykazuje nižší šum a nižší tmavý prúd. V roku 2016 Sun Jianfeng a spol. postavil súbor 1570 nm laserovej aktívnej zobrazovacej experimentálnej platformy založenej na lavínovom fotodetektore InGaAs. Vnútorný okruhAPD fotodetektorprijímané ozveny a priamy výstup digitálnych signálov, vďaka čomu je celé zariadenie kompaktné. Experimentálne výsledky sú znázornené na obr. (d) a (e). Obrázok (d) je fyzická fotografia zobrazovacieho cieľa a obrázok (e) je trojrozmerný vzdialený obrázok. Je jasne vidieť, že oblasť okna oblasti c má určitú hĺbkovú vzdialenosť s oblasťou A a b. Platforma realizuje šírku impulzu menšiu ako 10 ns, energiu jedného impulzu (1 ~ 3) mJ nastaviteľnú, uhol poľa prijímacej šošovky 2°, opakovaciu frekvenciu 1 kHz, pomer výkonu detektora približne 60 %. Vďaka internému fotoprúdovému zosilneniu APD, rýchlej odozve, kompaktným rozmerom, odolnosti a nízkej cene môžu mať fotodetektory APD rádovo vyššiu rýchlosť detekcie ako fotodetektory PIN, takže súčasnému mainstreamovému liDARu dominujú hlavne lavínové fotodetektory.

Celkovo s rýchlym rozvojom technológie prípravy InGaAs doma aj v zahraničí vieme šikovne využiť technológie MBE, MOCVD, LPE a ďalšie na prípravu veľkoplošnej vysokokvalitnej epitaxnej vrstvy InGaAs na InP substráte. Fotodetektory InGaAs vykazujú nízky temný prúd a vysokú citlivosť, najnižší temný prúd je nižší ako 0,75 pA/μm², maximálna odozva je až 0,57 A/W a má rýchlu prechodovú odozvu (rad ps). Budúci vývoj InGaAs fotodetektorov sa zameria na nasledujúce dva aspekty: (1) InGaAs epitaxná vrstva je priamo pestovaná na Si substráte. V súčasnosti je väčšina mikroelektronických zariadení na trhu založená na Si a následný integrovaný vývoj na báze InGaAs a Si je všeobecným trendom. Riešenie problémov, ako je nesúlad mriežky a rozdiel koeficientov tepelnej rozťažnosti, je kľúčové pre štúdium InGaAs/Si; (2) Technológia vlnovej dĺžky 1550 nm je vyspelá a predĺžená vlnová dĺžka (2,0 ~ 2,5) μm je budúcim smerom výskumu. S nárastom komponentov In povedie nesúlad mriežky medzi substrátom InP a epitaxnou vrstvou InGaAs k vážnejšej dislokácii a defektom, takže je potrebné optimalizovať parametre procesu zariadenia, znížiť defekty mriežky a znížiť temný prúd zariadenia.