Strukturen til InGaAs-fotodetektoren

Strukturen tilInGaAs fotodetektor
Siden 1980-tallet har forskere studert strukturen til InGaAs-fotodetektorer, som kan oppsummeres i tre hovedtyper: InGaAs-metall, halvledermetallfotodetektorer(MSM-PD), InGaAsPIN-fotodetektorer(PIN-PD) og InGaAsskredfotodetektorer(APD-PD). Det er betydelige forskjeller i produksjonsprosessen og kostnaden for InGaAs-fotodetektorer med forskjellige strukturer, og det er også betydelige forskjeller i enhetens ytelse.
Figuren viser et skjematisk diagram over strukturen til en InGaAs-metallhalvledermetallfotodetektor. Figuren viser en spesiell struktur basert på Schottky-overgang. I 1992 brukte Shi et al. lavtrykks-metallorganisk dampfaseepitaksi (LP-MOVPE)-teknologi for å dyrke epitaksiale lag og fremstille InGaAs MSM-fotodetektorer. Enheten har en høy responsivitet på 0,42 A/W ved en bølgelengde på 1,3 μm og en mørkestrøm på mindre enn 5,6 pA/μm² ved 1,5 V. I 1996 brukte forskere gassfase-molekylærstråleepitaksi (GSMBE) for å dyrke InAlAs InGaAs InP epitaksiale lag, som viste høye resistivitetsegenskaper. Vekstforholdene ble optimalisert gjennom røntgendiffraksjonsmålinger, noe som resulterte i en gitteravvik mellom InGaAs- og InAlAs-lag innenfor området 1 × 10⁻³. Som et resultat ble enhetens ytelse optimalisert, med en mørkestrøm på mindre enn 0,75 pA/μm² ved 10 V og en rask transientrespons på 16 ps ved 5 V. Totalt sett har MSM-strukturfotodetektoren en enkel og lettintegrert struktur, med lavere mørkestrøm (pA-nivå), men metallelektroden reduserer enhetens effektive lysabsorpsjonsareal, noe som resulterer i lavere responsivitet sammenlignet med andre strukturer.

InGaAs PIN-fotodetektoren har et iboende lag satt inn mellom P-type kontaktlaget og N-type kontaktlaget, som vist i figuren, noe som øker bredden på uttømmingsområdet, og dermed utstråler flere elektronhullpar og danner en større fotostrøm, og dermed viser utmerket elektronisk ledningsevne. I 2007 brukte forskere MBE til å dyrke lavtemperaturbufferlag, forbedre overflateruhet og overvinne gitteravvik mellom Si og InP. De integrerte InGaAs PIN-strukturer på InP-substrater ved hjelp av MOCVD, og ​​responsiviteten til enheten var omtrent 0,57 A/W. I 2011 brukte forskere PIN-fotodetektorer til å utvikle en LiDAR-bildeenhet med kort rekkevidde for navigasjon, unngåelse av hindringer/kollisjoner og måldeteksjon/gjenkjenning av små ubemannede bakkekjøretøyer. Enheten ble integrert med en rimelig mikrobølgeforsterkerbrikke, noe som forbedret signal-til-støy-forholdet til InGaAs PIN-fotodetektorer betydelig. På dette grunnlaget brukte forskere i 2012 denne LiDAR-bildeenheten på roboter, med et deteksjonsområde på over 50 meter og en oppløsning økt til 256 × 128.
InGaAs-skredfotodetektoren er en type fotodetektor med forsterkning, som vist i strukturdiagrammet. Elektronhullpar får tilstrekkelig energi under påvirkning av det elektriske feltet inne i doblingsområdet, og kolliderer med atomer for å generere nye elektronhullpar, noe som danner en skredeffekt og dobler ikke-likevektsladningsbærerne i materialet. I 2013 brukte forskere MBE til å dyrke gittertilpassede InGaAs- og InAlAs-legeringer på InP-substrater, og modulerte bærerenergi gjennom endringer i legeringssammensetning, epitaksial lagtykkelse og doping, noe som maksimerte elektrosjokkionisering samtidig som hullionisering minimertes. Under ekvivalent utgangssignalforsterkning viser APD lav støy og lavere mørk strøm. I 2016 konstruerte forskere en 1570 nm laseraktiv avbildningseksperimentell plattform basert på InGaAs-skredfotodetektorer. Den interne kretsen tilAPD-fotodetektormottatte ekkoer og sender direkte ut digitale signaler, noe som gjør hele enheten kompakt. De eksperimentelle resultatene er vist i figur (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 sone C har en viss dybdeavstand fra sone A og B. Denne plattformen oppnår en pulsbredde på mindre enn 10 ns, justerbar enkeltpulsenergi (1-3) mJ, en synsfeltvinkel på 2 ° for sende- og mottakslinsene, en repetisjonsfrekvens på 1 kHz og en detektorens driftssyklus på omtrent 60 %. Takket være den interne fotostrømsforsterkningen, rask respons, kompakt størrelse, holdbarhet og lave kostnader for APD, kan APD-fotodetektorer oppnå en deteksjonsrate som er en størrelsesorden høyere enn PIN-fotodetektorer. Derfor bruker vanlige laserradarer for tiden hovedsakelig skredfotodetektorer.