Zgradba fotodetektorja InGaAs

StrukturaInGaAs fotodetektor

Od osemdesetih let prejšnjega stoletja raziskovalci doma in v tujini preučujejo zgradbo fotodetektorjev InGaAs, ki jih večinoma delimo na tri vrste. To so InGaAs kovinski polprevodniški fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) in InGaAs lavinski fotodetektor (APD-PD). Obstajajo pomembne razlike v procesu izdelave in stroških fotodetektorjev InGaAs z različnimi strukturami, velike razlike pa so tudi v zmogljivosti naprave.

InGaAs kovina-polprevodnik-kovinafotodetektor, prikazan na sliki (a), je posebna struktura, ki temelji na Schottkyjevem spoju. Leta 1992 so Shi et al. uporabil nizkotlačno kovinsko-organsko parnofazno epitaksijsko tehnologijo (LP-MOVPE) za rast epitaksijskih plasti in pripravil InGaAs MSM fotodetektor, ki ima visoko odzivnost 0,42 A/W pri valovni dolžini 1,3 μm in temni tok nižji od 5,6 pA/ μm² pri 1,5 V. Leta 1996 so zhang et al. uporabil plinsko fazno epitaksijo z molekularnim žarkom (GSMBE) za rast epitaksijske plasti InAlAs-InGaAs-InP. Plast InAlAs je pokazala visoko upornostne karakteristike, pogoji rasti pa so bili optimizirani z meritvijo rentgenske difrakcije, tako da je bila neusklajenost mreže med plastmi InGaAs in InAlAs v območju 1 × 10⁻³. To ima za posledico optimizirano delovanje naprave s temnim tokom pod 0,75 pA/μm² pri 10 V in hitrim prehodnim odzivom do 16 ps pri 5 V. Na splošno je fotodetektor strukture MSM preprost in enostaven za integracijo ter kaže nizek temni tok (pA red), vendar bo kovinska elektroda zmanjšala efektivno površino absorpcije svetlobe naprave, zato je odziv nižji kot pri drugih strukturah.

InGaAs PIN fotodetektor vstavi intrinzično plast med kontaktno plastjo P-tipa in kontaktno plastjo N-tipa, kot je prikazano na sliki (b), kar poveča širino osiromašenega območja in tako seva več parov elektron-luknja in tvori večji fototok, zato ima odlično prevodnost elektronov. Leta 2007 sta A.Poloczek et al. uporabil MBE za rast nizkotemperaturne vmesne plasti za izboljšanje hrapavosti površine in premagovanje neskladja mreže med Si in InP. MOCVD je bil uporabljen za integracijo strukture PIN InGaAs na substrat InP, odzivnost naprave pa je bila približno 0,57 A / W. Leta 2011 je Army Research Laboratory (ALR) uporabil fotodetektorje PIN za preučevanje slikovne naprave liDAR za navigacijo, izogibanje oviram/trkom in zaznavanje/prepoznavanje ciljev kratkega dosega za majhna kopenska vozila brez posadke, integrirano s poceni mikrovalovnim ojačevalnim čipom, ki znatno izboljšal razmerje med signalom in šumom fotodetektorja PIN InGaAs. Na tej podlagi je leta 2012 ALR uporabil to slikovno napravo liDAR za robote z dosegom zaznavanja več kot 50 m in ločljivostjo 256 × 128.

InGaAslavinski fotodetektorje nekakšen fotodetektor z ojačanjem, katerega struktura je prikazana na sliki (c). Par elektron-luknja pridobi dovolj energije pod delovanjem električnega polja znotraj območja podvojitve, tako da trči z atomom, ustvari nove pare elektron-luknja, ustvari učinek plazu in pomnoži neravnovesne nosilce v materialu. . Leta 2013 je George M uporabil MBE za gojenje zlitin InGaAs in InAlAs, ki se ujemajo z mrežo, na substratu InP, pri čemer je uporabil spremembe v sestavi zlitine, debelino epitaksialne plasti in dopiranje na modulirano nosilno energijo, da bi povečali ionizacijo z elektrošokom in hkrati zmanjšali ionizacijo lukenj. Pri enakovrednem ojačanju izhodnega signala APD kaže nižji šum in nižji temni tok. Leta 2016 sta Sun Jianfeng et al. izdelal niz eksperimentalne platforme za lasersko aktivno slikanje 1570 nm, ki temelji na plazovitem fotodetektorju InGaAs. Notranje vezjeAPD fotodetektorsprejema odmeve in neposredno oddaja digitalne signale, zaradi česar je celotna naprava kompaktna. Eksperimentalni rezultati so prikazani na sl. (d) in (e). Slika (d) je fizična fotografija tarče slikanja, slika (e) pa je tridimenzionalna slika oddaljenosti. Jasno je razvidno, da ima območje okna območja c določeno globinsko razdaljo z območjema A in b. Platforma realizira širino impulza manj kot 10 ns, nastavljivo energijo posameznega impulza (1 ~ 3) mJ, kot polja sprejemne leče 2°, frekvenco ponavljanja 1 kHz, razmerje delovanja detektorja približno 60 %. Zahvaljujoč notranjemu ojačenju fototoka APD, hitremu odzivu, kompaktni velikosti, vzdržljivosti in nizki ceni so lahko fotodetektorji APD za red velikosti višji v stopnji zaznavanja kot fotodetektorji PIN, tako da v trenutnem glavnem liDAR-ju prevladujejo predvsem lavinski fotodetektorji.

Na splošno lahko s hitrim razvojem tehnologije priprave InGaAs doma in v tujini spretno uporabimo MBE, MOCVD, LPE in druge tehnologije za pripravo obsežne visokokakovostne epitaksialne plasti InGaAs na substratu InP. Fotodetektorji InGaAs imajo nizek temni tok in visoko odzivnost, najnižji temni tok je nižji od 0,75 pA/μm², največja odzivnost je do 0,57 A/W in ima hiter prehodni odziv (vrstni red ps). Prihodnji razvoj fotodetektorjev InGaAs se bo osredotočil na naslednja dva vidika: (1) epitaksialna plast InGaAs je neposredno gojena na Si substratu. Trenutno večina mikroelektronskih naprav na trgu temelji na Si, kasnejši celostni razvoj na osnovi InGaAs in Si pa je splošni trend. Reševanje problemov, kot sta neusklajenost mreže in razlika v koeficientu toplotnega raztezanja, je ključnega pomena za preučevanje InGaAs/Si; (2) Tehnologija valovne dolžine 1550 nm je bila zrela, razširjena valovna dolžina (2,0 ~ 2,5) μm pa je smer prihodnjih raziskav. S povečanjem komponent In bo neskladje mreže med substratom InP in epitaksialno plastjo InGaAs povzročilo resnejše dislokacije in napake, zato je treba optimizirati procesne parametre naprave, zmanjšati napake mreže in zmanjšati temni tok naprave.