Strukturen til InGaAs fotodetektoren

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 snøskredfotodetektor (APD-PD). Det er betydelige forskjeller i produksjonsprosessen og kostnaden 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-overgangen. I 1992 brukte Shi et al. lavtrykks metallorganisk dampfaseepitaksiteknologi (LP-MOVPE) for å dyrke epitaksilag og fremstilte InGaAs MSM-fotodetektor, som har en høy responsivitet på 0,42 A/W ved en bølgelengde på 1,3 μm og en mørkestrøm lavere enn 5,6 pA/μm² ved 1,5 V. I 1996 brukte zhang et al. gassfasemolekylærstråleepitaksi (GSMBE) for å dyrke InAlAs-InGaAs-InP-epitaksilaget. InAlAs-laget viste høye resistivitetsegenskaper, og vekstbetingelsene ble optimalisert ved røntgendiffraksjonsmåling, slik at gitteravviket mellom InGaAs- og InAlAs-lagene var innenfor området 1×10⁻³. Dette resulterer i optimalisert enhetsytelse med mørkestrøm under 0,75 pA/μm² ved 10 V og rask transientrespons på opptil 16 ps ved 5 V. Alt i alt er MSM-strukturfotodetektoren enkel og lett å integrere, og viser lav mørkestrøm (pA-orden), men metallelektroden vil redusere enhetens effektive lysabsorpsjonsareal, slik at responsen er lavere enn andre strukturer.

InGaAs PIN-fotodetektoren setter inn et iboende lag mellom P-type kontaktlaget og N-type kontaktlaget, som vist i figur (b), noe som øker bredden på uttømmingsområdet, og dermed utstråler flere elektron-hull-par og danner en større fotostrøm, slik at den har utmerket elektronledningsevne. I 2007 brukte A.Poloczek et al. MBE til å dyrke et lavtemperaturbufferlag for å forbedre overflateruheten og overvinne gitteravviket mellom Si og InP. MOCVD ble brukt til å integrere InGaAs PIN-struktur på InP-substratet, og enhetens respons var omtrent 0,57 A/W. I 2011 brukte Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetektorer til å studere en liDAR-avbilder for navigasjon, unngåelse av hindringer/kollisjoner og deteksjon/identifisering av kortdistansemål for små ubemannede bakkekjøretøyer, integrert med en rimelig mikrobølgeforsterkerbrikke som forbedret signal-til-støy-forholdet til InGaAs PIN-fotodetektoren betydelig. På dette grunnlaget brukte ALR i 2012 denne liDAR-avbilderen for roboter, med et deteksjonsområde på mer enn 50 m og en oppløsning på 256 × 128.

InGaAs-eneskredfotodetektorer en type 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, til å kollidere med atomet, generere nye elektron-hull-par, danne en skredeffekt og multiplisere 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 ekvivalent utgangssignalforsterkning viser APD lavere støy og lavere mørkestrøm. I 2016 bygde Sun Jianfeng et al. et sett med 1570 nm laseraktiv avbildningseksperimentell plattform basert på InGaAs-skredfotodetektoren. Den interne kretsen tilAPD-fotodetektormottar ekkoer og sender 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 bildemålet, og figur (e) er et tredimensjonalt avstandsbilde. Det kan tydelig sees at vindusområdet i område c har en viss dybdeavstand med område A og b. Plattformen oppnår pulsbredde mindre enn 10 ns, justerbar enkeltpulsenergi (1 ~ 3) mJ, mottakerlinsefeltvinkel på 2°, repetisjonsfrekvens på 1 kHz, detektorens driftsforhold på omtrent 60 %. Takket være APDs interne fotostrømsforsterkning, raske respons, kompakte størrelse, holdbarhet og lave kostnader, kan APD-fotodetektorer ha en størrelsesorden høyere deteksjonsrate enn PIN-fotodetektorer, så dagens mainstream liDAR domineres hovedsakelig av skredfotodetektorer.

Alt i alt, med den raske utviklingen av InGaAs-prepareringsteknologi i inn- og utland, kan vi dyktig bruke MBE, MOCVD, LPE og andre teknologier for å preparere et stort, høykvalitets InGaAs-epitaksiallag på InP-substrat. InGaAs-fotodetektorer viser lav mørkestrøm og høy responsivitet, den laveste mørkestrømmen er lavere enn 0,75 pA/μm², den maksimale responsiviteten er opptil 0,57 A/W, og har en rask transientrespons (ps-orden). Den fremtidige utviklingen av InGaAs-fotodetektorer vil fokusere på følgende to aspekter: (1) InGaAs-epitaksiallaget dyrkes direkte på Si-substrat. For tiden er de fleste mikroelektroniske enhetene på markedet Si-baserte, og den påfølgende integrerte utviklingen av InGaAs og Si-baserte er den generelle trenden. Å løse problemer som gittermismatch og forskjell i termisk ekspansjonskoeffisient er avgjørende for studiet av InGaAs/Si; (2) 1550 nm bølgelengdeteknologien har blitt moden, og den utvidede bølgelengden (2,0 ~ 2,5) μm er den fremtidige forskningsretningen. Med økningen av In-komponenter vil gittermismatchen mellom InP-substratet og det epitaksiale laget InGaAs føre til mer alvorlig dislokasjon og defekter, så det er nødvendig å optimalisere enhetens prosessparametre, redusere gitterdefektene og redusere enhetens mørkestrøm.