Strukturen af ​​InGaAs fotodetektoren

Strukturen afInGaAs fotodetektor
Siden 1980'erne har forskere studeret strukturen af ​​InGaAs-fotodetektorer, som kan opsummeres i tre hovedtyper: InGaAs-metal, halvledermetalfotodetektorer(MSM-PD), InGaAsPIN-fotodetektorer(PIN-PD) og InGaAslavinefotodetektorer(APD-PD). Der er betydelige forskelle i produktionsprocessen og omkostningerne ved InGaAs-fotodetektorer med forskellige strukturer, og der er også betydelige forskelle i enhedens ydeevne.
Figuren viser et skematisk diagram over strukturen af ​​en InGaAs-metalhalvleder-metalfotodetektor, som er en speciel struktur baseret på Schottky-forbindelsen. I 1992 anvendte Shi et al. lavtryks-metalorganisk dampfaseepitaksi (LP-MOVPE) teknologi til at dyrke epitaksiale lag og fremstille InGaAs MSM-fotodetektorer. Enheden har en høj responsivitet på 0,42 A/W ved en bølgelængde på 1,3 μm og en mørkestrøm på mindre end 5,6 pA/μm² ved 1,5 V. I 1996 anvendte forskere gasfase-molekylærstråleepitaksi (GSMBE) til at dyrke InAlAs InGaAs InP epitaksiale lag, som udviste høje resistivitetsegenskaber. Vækstbetingelserne blev optimeret gennem røntgendiffraktionsmålinger, hvilket resulterede i en gitterafvigelse mellem InGaAs- og InAlAs-lag inden for området 1 × 10⁻³. Som et resultat blev enhedens ydeevne optimeret med en mørkestrøm på mindre end 0,75 pA/μm² ved 10 V og en hurtig transientrespons på 16 ps ved 5 V. Samlet set har MSM-strukturfotodetektoren en simpel og letintegrerbar struktur, der udviser lavere mørkestrøm (pA-niveau), men metalelektroden reducerer enhedens effektive lysabsorptionsområde, hvilket resulterer i lavere responsivitet sammenlignet med andre strukturer.

InGaAs PIN-fotodetektoren har et intrinsisk lag indsat mellem P-type kontaktlaget og N-type kontaktlaget, som vist på figuren, hvilket øger bredden af ​​udtømningsområdet, hvorved der udstråles flere elektronhulpar og dannes en større fotostrøm, hvilket udviser fremragende elektronisk ledningsevne. I 2007 brugte forskere MBE til at dyrke lavtemperaturbufferlag, hvilket forbedrede overfladeruhed og overvandt gittermismatch mellem Si og InP. De integrerede InGaAs PIN-strukturer på InP-substrater ved hjælp af MOCVD, og ​​enhedens responsivitet var cirka 0,57 A/W. I 2011 brugte forskere PIN-fotodetektorer til at udvikle en LiDAR-billeddannelsesenhed med kort rækkevidde til navigation, undgåelse af forhindringer/kollisioner og måldetektion/genkendelse af små ubemandede jordkøretøjer. Enheden blev integreret med en billig mikrobølgeforstærkerchip, hvilket forbedrede signal-støj-forholdet for InGaAs PIN-fotodetektorer betydeligt. På dette grundlag anvendte forskere i 2012 denne LiDAR-billeddannelsesenhed på robotter med en detektionsområde på over 50 meter og en opløsning øget til 256 × 128.
InGaAs lavinefotodetektoren er en type fotodetektor med forstærkning, som vist i strukturdiagrammet. Elektronhulpar opnår tilstrækkelig energi under påvirkning af det elektriske felt inden for fordoblingsområdet og kolliderer med atomer for at generere nye elektronhulpar, hvilket danner en lavineeffekt og fordobler de ikke-ligevægtsladningsbærere i materialet. I 2013 brugte forskere MBE til at dyrke gittermatchede InGaAs- og InAlAs-legeringer på InP-substrater, modulerende bærerenergi gennem ændringer i legeringssammensætning, epitaksialt lagtykkelse og doping, maksimerende elektrochokionisering og minimeret hulionisering. Under ækvivalent udgangssignalforstærkning udviser APD lav støj og lavere mørkestrøm. I 2016 konstruerede forskere en 1570 nm laser aktiv billeddannelseseksperimentel platform baseret på InGaAs lavinefotodetektorer. Det interne kredsløb iAPD-fotodetektormodtagne ekkoer og direkte udsende digitale signaler, hvilket gør hele enheden kompakt. De eksperimentelle resultater er vist i figur (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 zone C har en vis dybdeafstand fra zone A og B. Denne platform opnår en pulsbredde på mindre end 10 ns, justerbar enkeltpulsenergi (1-3) mJ, en synsfeltvinkel på 2 ° for sende- og modtagelinserne, en gentagelseshastighed på 1 kHz og en detektorens arbejdscyklus på cirka 60 %. Takket være den interne fotostrømsforstærkning, hurtige respons, kompakte størrelse, holdbarhed og lave omkostninger ved APD kan APD-fotodetektorer opnå en detektionshastighed, der er en størrelsesorden højere end PIN-fotodetektorer. Derfor bruger mainstream-laserradarer i øjeblikket hovedsageligt lavinefotodetektorer.