Struktur af InGaAs fotodetektor

Struktur afInGaAs fotodetektor

Siden 1980'erne har forskere i ind- og udland studeret strukturen af ​​InGaAs-fotodetektorer, som primært 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-forbindelsen. I 1992 anvendte Shi et al. lavtryks-metalorganisk dampfaseepitaksiteknologi (LP-MOVPE) til at dyrke epitaksilag og fremstillede InGaAs MSM-fotodetektoren, som har en høj responsivitet på 0,42 A/W ved en bølgelængde på 1,3 μm og en mørkestrøm lavere end 5,6 pA/μm² ved 1,5 V. I 1996 anvendte zhang et al. gasfase-molekylærstråleepitaksi (GSMBE) til at dyrke InAlAs-InGaAs-InP-epitaksilaget. InAlAs-laget udviste høje resistivitetsegenskaber, og vækstbetingelserne blev optimeret ved røntgendiffraktionsmåling, således at gittermismatchen mellem InGaAs- og InAlAs-lagene var inden for området 1×10⁻³. Dette resulterer i optimeret enhedsydeevne med en mørkestrøm under 0,75 pA/μm² ved 10 V og en hurtig transientrespons på op til 16 ps ved 5 V. Generelt er MSM-strukturfotodetektoren enkel og nem at integrere og viser lav mørkestrøm (pA-orden), men metalelektroden vil reducere enhedens effektive lysabsorptionsområde, så responsen er lavere end andre strukturer.

InGaAs PIN-fotodetektoren indsætter et intrinsisk lag mellem P-type kontaktlaget og N-type kontaktlaget, som vist i figur (b), hvilket øger bredden af ​​udtømningsområdet, hvorved flere elektron-hul-par udstråles og der dannes en større fotostrøm, så den har fremragende elektronledningsevne. I 2007 brugte A.Poloczek et al. MBE til at dyrke et lavtemperaturbufferlag for at forbedre overfladeruheden og overvinde gittermismatchen mellem Si og InP. MOCVD blev brugt til at integrere InGaAs PIN-struktur på InP-substratet, og enhedens responsivitet var omkring 0,57 A/W. I 2011 brugte Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetektorer til at studere en liDAR-billeddanner til navigation, undgåelse af forhindringer/kollisioner og detektion/identifikation af kortdistancemål for små ubemandede jordkøretøjer, integreret med en billig mikrobølgeforstærkerchip, der forbedrede signal-støj-forholdet for InGaAs PIN-fotodetektoren betydeligt. På dette grundlag anvendte ALR i 2012 denne liDAR-billeddanner til robotter med en detektionsrækkevidde på mere end 50 m og en opløsning på 256 × 128.

InGaAslavinefotodetektorer en slags fotodetektor med forstærkning, hvis struktur er vist i figur (c). Elektron-hul-parret opnår tilstrækkelig energi under påvirkning af det elektriske felt inden for fordoblingsområdet til at kollidere med atomet, generere nye elektron-hul-par, danne en lavineeffekt og multiplicere de ikke-ligevægtsbærere i materialet. I 2013 brugte George M. MBE til at dyrke gittermatchede InGaAs- og InAlAs-legeringer på et InP-substrat ved hjælp af ændringer i legeringssammensætning, epitaksial lagtykkelse og doping til moduleret bærerenergi for at maksimere elektrochok-ionisering, samtidig med at hulionisering minimeres. Ved den ækvivalente udgangssignalforstærkning viser APD lavere støj og lavere mørkestrøm. I 2016 byggede Sun Jianfeng et al. et sæt 1570 nm laser aktiv billeddannelseseksperimentelle platforme baseret på InGaAs lavinefotodetektoren. Det interne kredsløb iAPD-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 billedmålet, og figur (e) er et tredimensionelt afstandsbillede. Det kan tydeligt ses, at vinduesområdet i område c har en vis dybdeafstand til område A og b. Platformen realiserer pulsbredde mindre end 10 ns, justerbar enkeltpulsenergi (1 ~ 3) mJ, modtagerlinsefeltvinkel på 2°, gentagelsesfrekvens på 1 kHz, detektorens arbejdsforhold på ca. 60%. Takket være APD's interne fotostrømsforstærkning, hurtige respons, kompakte størrelse, holdbarhed og lave omkostninger kan APD-fotodetektorer have en størrelsesorden højere detektionsrate end PIN-fotodetektorer, så den nuværende mainstream liDAR er hovedsageligt domineret af lavinefotodetektorer.

Samlet set, med den hurtige udvikling af InGaAs-fremstillingsteknologi i ind- og udland, kan vi dygtigt bruge MBE, MOCVD, LPE og andre teknologier til at fremstille et stort område af høj kvalitet InGaAs-epitaksiallag på InP-substrat. InGaAs-fotodetektorer udviser lav mørkestrøm og høj responsivitet, den laveste mørkestrøm er lavere end 0,75 pA/μm², den maksimale responsivitet er op til 0,57 A/W og har en hurtig transientrespons (ps-orden). Den fremtidige udvikling af InGaAs-fotodetektorer vil fokusere på følgende to aspekter: (1) InGaAs-epitaksiallaget dyrkes direkte på Si-substrat. I øjeblikket er de fleste mikroelektroniske enheder på markedet Si-baserede, og den efterfølgende integrerede udvikling af InGaAs og Si-baserede er den generelle tendens. Løsning af problemer som gittermismatch og forskel i termisk udvidelseskoefficient er afgørende for studiet af InGaAs/Si; (2) 1550 nm bølgelængdeteknologien er moden, og den forlængede bølgelængde (2,0 ~ 2,5) μm er den fremtidige forskningsretning. Med stigningen i In-komponenter vil gittermismatchen mellem InP-substratet og det epitaksiale InGaAs-lag føre til mere alvorlige dislokationer og defekter, så det er nødvendigt at optimere enhedens procesparametre, reducere gitterdefekter og reducere enhedens mørkestrøm.