Структура на фотодетекторот InGaAs

Структура наФотодетектор InGaAs

Од 1980-тите, истражувачите дома и во странство ја проучуваат структурата на фотодетекторите InGaAs, кои главно се поделени во три вида. Тие се фотодетектор InGaAs метал-полупроводник-метал (MSM-PD), фотодетектор InGaAs PIN (PIN-PD) и фотодетектор InGaAs лавина (APD-PD). Постојат значителни разлики во процесот на производство и цената на фотодетекторите InGaAs со различни структури, а постојат и големи разлики во перформансите на уредот.

InGaAs метал-полупроводник-металфотодетектор, прикажано на Слика (а), е посебна структура базирана на Шоткиевиот спој. Во 1992 година, Ши и сор. користеле технологија за епитаксија во парна фаза со низок притисок метал-органски (LP-MOVPE) за одгледување на епитаксијални слоеви и подготвиле InGaAs MSM фотодетектор, кој има висока одзивност од 0,42 A/W на бранова должина од 1,3 μm и темна струја помала од 5,6 pA/ μm² на 1,5 V. Во 1996 година, Жанг и сор. користеле епитаксија на молекуларен зрак во гасна фаза (GSMBE) за одгледување на епитаксијалниот слој InAlAs-InGaAs-InP. Слојот InAlAs покажал карактеристики на висока отпорност, а условите за раст биле оптимизирани со мерење на дифракција на Х-зраци, така што несовпаѓањето на решетката помеѓу слоевите InGaAs и InAlAs било во опсег од 1×10⁻³. Ова резултира со оптимизирани перформанси на уредот со темна струја под 0,75 pA/μm² на 10 V и брз преоден одзив до 16 ps на 5 V. Во целина, фотодетекторот со MSM структура е едноставен и лесен за интегрирање, покажувајќи ниска темна струја (pA ред), но металната електрода ќе ја намали ефективната област на апсорпција на светлина на уредот, па затоа одзивот е помал од другите структури.

Фотодетекторот InGaAs PIN вметнува внатрешен слој помеѓу контактниот слој од P-тип и контактниот слој од N-тип, како што е прикажано на Слика (б), што ја зголемува ширината на регионот на осиромашување, со што зрачи повеќе парови електрон-дупка и формира поголема фотоструја, па затоа има одлични перформанси на електронска спроводливост. Во 2007 година, А. Полочек и сор. користеа MBE за да создадат нискотемпературен тампон слој за да ја подобрат површинската грубост и да го надминат несовпаѓањето на решетката помеѓу Si и InP. MOCVD беше користен за интегрирање на структурата на InGaAs PIN на подлогата InP, а одзивот на уредот беше околу 0,57A/W. Во 2011 година, Армиската истражувачка лабораторија (ALR) користеше PIN фотодетектори за да проучи liDAR снимач за навигација, избегнување на пречки/судири и откривање/идентификација на цели на краток дострел за мали беспилотни копнени возила, интегриран со чип со микробранова засилувач со ниска цена што значително го подобри односот сигнал-шум на фотодетекторот InGaAs PIN. Врз основа на ова, во 2012 година, ALR го користеше овој liDAR снимач за роботи, со опсег на детекција од повеќе од 50 m и резолуција од 256 × 128.

InGaAsфотодетектор за лавиние еден вид фотодетектор со засилување, чија структура е прикажана на Слика (в). Парот електрон-дупка добива доволно енергија под дејство на електричното поле во рамките на удвојувачкиот регион, за да се судри со атомот, да генерира нови парови електрон-дупка, да формира ефект на лавина и да ги множи носителите кои не се во рамнотежа во материјалот. Во 2013 година, Џорџ М користел MBE за да одгледува легури InGaAs и InAlAs со решетка на подлога InP, користејќи промени во составот на легурата, дебелината на епитаксијалниот слој и допирање до модулирана енергија на носителот за да се максимизира јонизацијата на електрошокот, а истовремено да се минимизира јонизацијата на дупките. При еквивалентно засилување на излезниот сигнал, APD покажува помал шум и помала темна струја. Во 2016 година, Сун Џианфенг и сор. изградија сет од 1570 nm ласерски активни експериментални платформи за снимање, базирана на фотодетекторот за лавина InGaAs. Внатрешното коло наAPD фотодетекторПримени еха и директно испраќаат дигитални сигнали, правејќи го целиот уред компактен. Експерименталните резултати се прикажани на Сл. (d) и (e). Слика (d) е физичка фотографија од целта за снимање, а Слика (e) е тродимензионална слика од растојание. Јасно може да се види дека површината на прозорецот c има одредено растојание на длабочина со површината A и b. Платформата остварува ширина на импулсот помала од 10 ns, енергија на еден импулс (1 ~ 3) mJ прилагодлива, агол на поле на приемната леќа од 2°, фреквенција на повторување од 1 kHz, однос на работа на детекторот од околу 60%. Благодарение на внатрешното засилување на фотострујата на APD, брзиот одговор, компактната големина, издржливоста и ниската цена, фотодетекторите на APD можат да бидат многу повисоки во стапката на детекција од PIN фотодетекторите, па затоа моменталниот мејнстрим liDAR е главно доминиран од фотодетектори за лавини.

Генерално, со брзиот развој на технологијата за подготовка на InGaAs дома и во странство, можеме вешто да ги користиме MBE, MOCVD, LPE и други технологии за да подготвиме висококвалитетен епитаксијален слој InGaAs со голема површина на подлога InP. Фотодетекторите InGaAs покажуваат ниска темна струја и висока одзивност, најниската темна струја е помала од 0,75 pA/μm², максималната одзивност е до 0,57 A/W и има брз преоден одзив (ps ред). Идниот развој на фотодетекторите InGaAs ќе се фокусира на следниве два аспекта: (1) епитаксијалниот слој InGaAs се одгледува директно на Si подлога. Во моментов, повеќето микроелектронски уреди на пазарот се базирани на Si, а последователниот интегриран развој на InGaAs и Si базирани е општ тренд. Решавањето проблеми како што се несовпаѓањето на решетката и разликата во коефициентот на термичка експанзија е клучно за проучувањето на InGaAs/Si; (2) Технологијата на бранова должина од 1550 nm е зрела, а продолжената бранова должина (2,0 ~ 2,5) μm е идната истражувачка насока. Со зголемувањето на In компонентите, несовпаѓањето на решетката помеѓу подлогата InP и епитаксијалниот слој InGaAs ќе доведе до посериозни дислокации и дефекти, па затоа е потребно да се оптимизираат параметрите на процесот на уредот, да се намалат дефектите на решетката и да се намали темната струја на уредот.