Struktur afInGaAs fotodetektor
Siden 1980'erne har forskere i ind- og udland studeret strukturen af InGaAs fotodetektorer, som hovedsageligt er opdelt i tre typer. De er InGaAs metal-halvleder-metal fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetektor (PIN-PD) og InGaAs lavinefotodetektor (APD-PD). Der er betydelige forskelle i fremstillingsprocessen og omkostningerne ved InGaAs fotodetektorer med forskellige strukturer, og der er også store forskelle i enhedens ydeevne.
InGaAs metal-halvleder-metalfotodetektor, vist i figur (a), er en speciel struktur baseret på Schottky-krydset. I 1992, Shi et al. brugte lavtryks metal-organisk dampfase-epitaksiteknologi (LP-MOVPE) til at dyrke epitaksilag og forberedte InGaAs MSM-fotodetektor, som har en høj reaktionsevne på 0,42 A/W ved en bølgelængde på 1,3 μm og en mørk strøm lavere end 5,6 pA/ μm² ved 1,5 V. I 1996, zhang et al. brugt gasfase molekylær stråleepitaksi (GSMBE) til at dyrke InAlAs-InGaAs-InP-epitaksilaget. InAlAs-laget viste høje resistivitetskarakteristika, og vækstbetingelserne blev optimeret ved røntgendiffraktionsmåling, således at gittermismatchet mellem InGaAs- og InAlAs-lag lå inden for området 1×10⁻³. Dette resulterer i optimeret enhedsydelse med mørkestrøm under 0,75 pA/μm² ved 10 V og hurtig transientrespons på op til 16 ps ved 5 V. I det hele taget er MSM-strukturfotodetektoren enkel og nem at integrere, idet den viser lav mørkestrøm (pA) rækkefølge), men metalelektroden vil reducere enhedens effektive lysabsorptionsområde, så responsen er lavere end andre strukturer.
InGaAs PIN-fotodetektoren indsætter et iboende lag mellem kontaktlaget af P-typen og kontaktlaget af N-typen, som vist i figur (b), hvilket øger bredden af udtømningsområdet og udstråler således flere elektron-hul-par og danner en større fotostrøm, så den har fremragende elektronledningsevne. I 2007, A.Poloczek et al. brugt MBE til at dyrke et lavtemperatur-bufferlag for at forbedre overfladeruheden og overvinde gittermismatchet mellem Si og InP. MOCVD blev brugt til at integrere InGaAs PIN-struktur på InP-substratet, og enhedens reaktionsevne var omkring 0,57A/W. I 2011 brugte Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetektorer til at studere en liDAR-imager til navigation, forhindring/kollisionsundgåelse og kortdistancemåldetektion/identifikation for små ubemandede landkøretøjer, integreret med en lavpris mikrobølgeforstærkerchip, der forbedrede signal-til-støj-forholdet for InGaAs PIN-fotodetektoren markant. På dette grundlag brugte ALR i 2012 denne liDAR-imager til robotter med et registreringsområde på mere end 50 m og en opløsning på 256 × 128.
InGaAslavine fotodetektorer en slags fotodetektor med forstærkning, hvis struktur er vist i figur (c). Elektron-hul-parret opnår nok energi under påvirkning af det elektriske felt inde i fordoblingsområdet til at kollidere med atomet, generere nye elektron-hul-par, danne en lavineeffekt og multiplicere ikke-ligevægtsbærerne i materialet . I 2013 brugte George M MBE til at dyrke gittermatchede InGaAs- og InAlAs-legeringer på et InP-substrat ved at bruge ændringer i legeringssammensætning, epitaksial lagtykkelse og doping til moduleret bærerenergi for at maksimere elektrochok-ionisering og samtidig minimere hulionisering. Ved den tilsvarende udgangssignalforstærkning viser APD lavere støj og lavere mørkestrøm. I 2016, Sun Jianfeng et al. byggede et sæt af 1570 nm laser aktiv billeddannelse eksperimentel platform baseret på InGaAs lavine fotodetektor. Det interne kredsløb afAPD fotodetektormodtagne ekkoer og direkte udsende digitale signaler, hvilket gør hele enheden kompakt. De eksperimentelle resultater er vist i fig. (d) og (e). Figur (d) er et fysisk foto af det billeddannende mål, og figur (e) er et tredimensionelt afstandsbillede. Det kan tydeligt ses, at vinduesarealet af område c har en vis dybdeafstand med område A og b. Platformen realiserer pulsbredde mindre end 10 ns, enkelt pulsenergi (1 ~ 3) mJ justerbar, modtagelinsefeltvinkel på 2°, gentagelsesfrekvens på 1 kHz, detektordriftsforhold på omkring 60%. Takket være APDs interne fotostrømforstærkning, hurtige respons, kompakte størrelse, holdbarhed og lave omkostninger, kan APD-fotodetektorer have en størrelsesorden højere i detektionshastighed end PIN-fotodetektorer, så den nuværende mainstream-liDAR er hovedsageligt domineret af lavinefotodetektorer.
Samlet set, med den hurtige udvikling af InGaAs-præparationsteknologi i ind- og udland, kan vi dygtigt bruge MBE, MOCVD, LPE og andre teknologier til at forberede stort område af højkvalitets InGaAs epitaksiallag på InP-substrat. InGaAs fotodetektorer udviser lav mørkestrøm og høj reaktionsevne, den laveste mørkestrøm er lavere end 0,75 pA/μm², den maksimale reaktionsevne er op til 0,57 A/W og har en hurtig transient respons (ps orden). Den fremtidige udvikling af InGaAs fotodetektorer vil fokusere på følgende to aspekter: (1) InGaAs epitaksiallag dyrkes direkte på Si-substrat. På nuværende tidspunkt er de fleste af de mikroelektroniske enheder på markedet Si-baserede, og den efterfølgende integrerede udvikling af InGaAs og Si-baseret er den generelle tendens. Løsning af problemer såsom gittermismatch og termisk udvidelseskoefficientforskel er afgørende for undersøgelsen af InGaAs/Si; (2) 1550 nm bølgelængdeteknologien har været moden, og den forlængede bølgelængde (2,0 ~ 2,5) μm er den fremtidige forskningsretning. Med stigningen af In-komponenter vil gittermismatchet mellem InP-substrat og InGaAs epitaksiallag føre til mere alvorlig dislokation og defekter, så det er nødvendigt at optimere enhedsprocesparametrene, reducere gitterdefekterne og reducere enhedens mørkestrøm.
Indlægstid: maj-06-2024