Struktur avInGaAs fotodetektor
Siden 1980-tallet har forskere i inn- og utland studert strukturen til InGaAs fotodetektorer, som hovedsakelig er delt inn i tre typer. De er InGaAs metall-halvleder-metall fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetektor (PIN-PD) og InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD). Det er betydelige forskjeller i fabrikasjonsprosessen og kostnadene for InGaAs fotodetektorer med forskjellige strukturer, og det er også store forskjeller i enhetens ytelse.
InGaAs metall-halvleder-metallfotodetektor, vist i figur (a), er en spesiell struktur basert på Schottky-krysset. I 1992, Shi et al. brukte lavtrykksmetall-organisk dampfase-epitaksiteknologi (LP-MOVPE) for å dyrke epitaksilag og forberedte InGaAs MSM-fotodetektor, som har en høy respons på 0,42 A/W ved en bølgelengde på 1,3 μm og en mørk strøm lavere enn 5,6 pA/ μm² ved 1,5 V. I 1996, zhang et al. brukte gassfase molekylær stråleepitaksi (GSMBE) for å dyrke InAlAs-InGaAs-InP-epitaksilaget. InAlAs-laget viste høye resistivitetsegenskaper, og vekstbetingelsene ble optimalisert ved røntgendiffraksjonsmåling, slik at gittermistilpasningen mellom InGaAs og InAlAs-lagene var innenfor området 1×10⁻³. Dette resulterer i optimert enhetsytelse med mørk strøm under 0,75 pA/μm² ved 10 V og rask transientrespons opp til 16 ps ved 5 V. I det hele tatt er MSM-strukturfotodetektoren enkel og lett å integrere, og viser lav mørkestrøm (pA) rekkefølge), men metallelektroden vil redusere det effektive lysabsorpsjonsområdet til enheten, slik at responsen er lavere enn andre strukturer.
InGaAs PIN-fotodetektoren setter inn et iboende lag mellom P-type kontaktlag og N-type kontaktlag, som vist i figur (b), som øker bredden på utarmingsområdet, og dermed utstråler flere elektronhullpar og danner et større fotostrøm, så den har utmerket elektronledningsytelse. I 2007, A.Poloczek et al. brukte MBE for å dyrke et lavtemperatur-bufferlag for å forbedre overflateruheten og overvinne gittermisforholdet mellom Si og InP. MOCVD ble brukt til å integrere InGaAs PIN-struktur på InP-substratet, og enhetens reaksjonsevne var omtrent 0,57A /W. I 2011 brukte Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetektorer for å studere et liDAR-bildeapparat for navigasjon, hindringer/kollisjonsunngåelse og kortdistansemåldeteksjon/identifikasjon for små ubemannede bakkekjøretøyer, integrert med en lavpris mikrobølgeforsterkerbrikke som forbedret signal-til-støy-forholdet til InGaAs PIN-fotodetektoren betydelig. På dette grunnlaget, i 2012, brukte ALR dette liDAR-bildeapparatet for roboter, med et deteksjonsområde på mer enn 50 m og en oppløsning på 256 × 128.
InGaAsskredfotodetektorer en slags fotodetektor med forsterkning, hvis struktur er vist i figur (c). Elektron-hull-paret får nok energi under påvirkning av det elektriske feltet inne i doblingsområdet, slik at det kolliderer med atomet, genererer nye elektron-hull-par, danner en skredeffekt og multipliserer ikke-likevektsbærerne i materialet . I 2013 brukte George M MBE til å dyrke gittertilpassede InGaAs- og InAlAs-legeringer på et InP-substrat, ved å bruke endringer i legeringssammensetning, epitaksial lagtykkelse og doping til modulert bærerenergi for å maksimere elektrosjokkionisering samtidig som hullionisering minimeres. Ved tilsvarende utgangssignalforsterkning viser APD lavere støy og lavere mørkestrøm. I 2016, Sun Jianfeng et al. bygget et sett med 1570 nm laseraktiv avbildningseksperimentell plattform basert på InGaAs skredfotodetektor. Den interne kretsen tilAPD fotodetektormottatte ekkoer og sende direkte ut digitale signaler, noe som gjør hele enheten kompakt. De eksperimentelle resultatene er vist i fig. (d) og (e). Figur (d) er et fysisk bilde av avbildningsmålet, og figur (e) er et tredimensjonalt avstandsbilde. Det kan tydelig sees at vindusarealet til område c har en viss dybdeavstand med område A og b. Plattformen realiserer pulsbredde mindre enn 10 ns, enkeltpulsenergi (1 ~ 3) mJ justerbar, mottakslinsefeltvinkel på 2°, repetisjonsfrekvens på 1 kHz, detektordriftsforhold på ca. 60 %. Takket være APDs interne fotostrømforsterkning, raske respons, kompakte størrelse, holdbarhet og lave kostnader, kan APD-fotodetektorer ha en størrelsesorden høyere i deteksjonshastighet enn PIN-fotodetektorer, så dagens mainstream-liDAR domineres hovedsakelig av skredfotodetektorer.
Totalt sett, med den raske utviklingen av InGaAs-prepareringsteknologi i inn- og utland, kan vi dyktig bruke MBE, MOCVD, LPE og andre teknologier for å klargjøre store områder av høykvalitets InGaAs epitaksiallag på InP-substrat. InGaAs-fotodetektorer viser lav mørkestrøm og høy respons, den laveste mørkestrømmen er lavere enn 0,75 pA/μm², maksimal respons er opptil 0,57 A/W og har en rask transient respons (ps-rekkefølge). Den fremtidige utviklingen av InGaAs fotodetektorer vil fokusere på følgende to aspekter: (1) InGaAs epitaksiallag dyrkes direkte på Si-substrat. For tiden er de fleste av de mikroelektroniske enhetene på markedet Si-baserte, og den påfølgende integrerte utviklingen av InGaAs og Si-basert er den generelle trenden. Å løse problemer som gittermismatch og termisk ekspansjonskoeffisientforskjell er avgjørende for studiet av InGaAs/Si; (2) 1550 nm bølgelengdeteknologien har vært moden, og den utvidede bølgelengden (2,0 ~ 2,5) μm er fremtidens forskningsretning. Med økningen av In-komponenter vil gittermisforholdet mellom InP-substrat og InGaAs epitaksiallag føre til mer alvorlig dislokasjon og defekter, så det er nødvendig å optimalisere enhetens prosessparametere, redusere gitterdefektene og redusere enhetens mørkestrøm.
Innleggstid: mai-06-2024