Štruktúra fotodetektora InGaAs

ŠtruktúraInGaAs fotodetektor

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

InGaAs kov-polovodič-kovfotodetektor, znázornená na obrázku (a), je špeciálna štruktúra založená na Schottkyho spoji. V roku 1992 Shi a kol. použili nízkotlakovú technológiu epitaxie z plynnej fázy a organických zlúčenín (LP-MOVPE) na rast epitaxných vrstiev a pripravili fotodetektor InGaAs MSM, ktorý má vysokú citlivosť 0,42 A/W pri vlnovej dĺžke 1,3 μm a temný prúd nižší ako 5,6 pA/μm² pri 1,5 V. V roku 1996 Zhang a kol. použili epitaxiu z plynnej fázy molekulárneho lúča (GSMBE) na rast epitaxnej vrstvy InAlAs-InGaAs-InP. Vrstva InAlAs vykazovala vysoké charakteristiky rezistivity a podmienky rastu boli optimalizované meraním röntgenovej difrakcie, takže mriežkový nesúlad 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 do 16 ps pri 5 V. Celkovo je fotodetektor so štruktúrou MSM jednoduchý a ľahko sa integruje, vykazuje nízky tmavý prúd (rád pA), ale kovová elektróda znižuje efektívnu plochu absorpcie svetla zariadením, takže odozva je nižšia ako pri iných štruktúrach.

PIN fotodetektor InGaAs vkladá vnútornú vrstvu medzi kontaktnú vrstvu typu P a kontaktnú vrstvu typu N, ako je znázornené na obrázku (b), čo zväčšuje šírku oblasti ochudobnenia, čím vyžaruje viac párov elektrón-diera a vytvára väčší fotoprúd, takže má vynikajúci výkon elektrónovej vodivosti. V roku 2007 A. Poloczek a kol. použili MBE na vypestovanie nízkoteplotnej vyrovnávacej vrstvy s cieľom zlepšiť drsnosť povrchu a prekonať mriežkový nesúlad medzi Si a InP. Na integráciu PIN štruktúry InGaAs na substrát InP sa použilo MOCVD a citlivosť zariadenia bola približne 0,57 A/W. V roku 2011 Armádne výskumné laboratórium (ALR) použilo PIN fotodetektory na štúdium liDAR zobrazovača pre navigáciu, vyhýbanie sa prekážkam/zrážkam a detekciu/identifikáciu cieľov na krátku vzdialenosť pre malé bezpilotné pozemné vozidlá, integrovaného s lacným mikrovlnným zosilňovačom, ktorý výrazne zlepšil pomer signálu k šumu PIN fotodetektora InGaAs. Na tomto základe spoločnosť ALR v roku 2012 použila tento liDAR snímač pre roboty s detekčným dosahom viac ako 50 m a rozlíšením 256 × 128.

InGaAslavínový fotodetektorje druh fotodetektora so zosilnením, ktorého štruktúra je znázornená na obrázku (c). Elektrónovo-dierový pár získava pôsobením elektrického poľa vo vnútri oblasti zdvojenia dostatok energie na zrážku s atómom, generovanie nových elektrónovo-dierových párov, vytvorenie lavínového efektu a znásobenie nerovnovážnych nosičov náboja v materiáli. V roku 2013 George M. použil MBE na pestovanie zliatin InGaAs a InAlAs s mriežkovou zhodou na substráte InP, pričom použil zmeny v zložení zliatiny, hrúbke epitaxnej vrstvy a dopovaní na moduláciu energie nosičov s cieľom maximalizovať ionizáciu elektrošokom a zároveň minimalizovať ionizáciu dier. Pri ekvivalentnom zosilnení výstupného signálu vykazuje APD nižší šum a nižší tmavý prúd. V roku 2016 Sun Jianfeng a kol. zostrojili sadu experimentálnej platformy pre aktívne zobrazovanie laserom s vlnovou dĺžkou 1570 nm založenú na lavínovom fotodetektore InGaAs. Vnútorný obvodAPD fotodetektorprijímal ozveny a priamo vydával digitálne signály, 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 obraz vzdialenosti. Je jasne vidieť, že oblasť okna oblasti c má určitú hĺbkovú vzdialenosť s oblasťami A a b. Platforma dosahuje šírku impulzu menej ako 10 ns, energiu jedného impulzu (1 ~ 3) mJ nastaviteľnú, uhol poľa prijímacej šošovky 2°, opakovaciu frekvenciu 1 kHz, pracovný pomer detektora približne 60 %. Vďaka internému zosilneniu fotoprúdu APD, rýchlej odozve, kompaktným rozmerom, odolnosti a nízkym nákladom môžu mať fotodetektory APD rádovo vyššiu mieru detekcie ako fotodetektory PIN, takže súčasný mainstreamový liDAR je prevažne založený na lavínových fotodetektoroch.

Celkovo, s rýchlym rozvojom technológie prípravy InGaAs doma aj v zahraničí, môžeme šikovne využiť technológie MBE, MOCVD, LPE a ďalšie na prípravu veľkoplošnej vysokokvalitnej epitaxnej vrstvy InGaAs na substráte InP. Fotodetektory InGaAs vykazujú nízky tmavý prúd a vysokú citlivosť, najnižší tmavý prúd je nižší ako 0,75 pA/μm², maximálna citlivosť je až 0,57 A/W a majú rýchlu prechodovú odozvu (rád ps). Budúci vývoj fotodetektorov InGaAs sa zameria na nasledujúce dva aspekty: (1) Epitaxná vrstva InGaAs sa pestuje priamo 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 v koeficiente tepelnej rozťažnosti, je kľúčové pre štúdium InGaAs/Si; (2) Technológia vlnovej dĺžky 1550 nm je zrelá a predĺžená vlnová dĺžka (2,0 ~ 2,5) μm je budúcim smerom výskumu. So zvyšujúcim sa podielom zložiek In vedie nesúlad mriežky medzi substrátom InP a epitaxnou vrstvou InGaAs k závažnejším dislokáciám a defektom, preto je potrebné optimalizovať procesné parametre zariadenia, znížiť mriežkové defekty a znížiť tmavý prúd zariadenia.