Struktura fotodetektorja InGaAs

StrukturaInGaAs fotodetektor

Od osemdesetih let prejšnjega stoletja raziskovalci doma in v tujini preučujejo strukturo fotodetektorjev InGaAs, ki so v glavnem razdeljeni na tri vrste. To so fotodetektorji InGaAs kovina-polprevodnik-kovina (MSM-PD), PIN fotodetektor InGaAs (PIN-PD) in plazoviti fotodetektor InGaAs (APD-PD). Obstajajo znatne razlike v postopku izdelave in stroških fotodetektorjev InGaAs z različnimi strukturami, velike pa so tudi razlike v delovanju naprav.

InGaAs kovina-polprevodnik-kovinafotodetektor, prikazana na sliki (a), je posebna struktura, ki temelji na Schottkyjevem spoju. Leta 1992 so Shi in sodelavci uporabili tehnologijo nizkotlačne kovinsko-organske epitaksije v parni fazi (LP-MOVPE) za rast epitaksijskih plasti in pripravili fotodetektor InGaAs MSM, 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 in sodelavci uporabili plinskofazno molekularno žarkovno epitaksijo (GSMBE) za rast epitaksijske plasti InAlAs-InGaAs-InP. Plast InAlAs je pokazala visoke upornostne lastnosti, pogoji rasti pa so bili optimizirani z meritvami 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, saj kaže nizek temni tok (reda pA), vendar kovinska elektroda zmanjša efektivno površino absorpcije svetlobe naprave, zato je odziv nižji kot pri drugih strukturah.

PIN fotodetektor InGaAs vstavi intrinzično plast med kontaktno plastjo tipa P in kontaktno plastjo tipa N, kot je prikazano na sliki (b), kar poveča širino območja osiromašenja, s čimer seva več parov elektronov in vrzeli ter tvori večji fototok, zato ima odlično prevodnost elektronov. Leta 2007 so A. Poloczek in sodelavci uporabili MBE za rast nizkotemperaturne puferske plasti za izboljšanje hrapavosti površine in premagovanje neusklajenosti mreže med Si in InP. Za integracijo PIN strukture InGaAs na substrat InP je bil uporabljen MOCVD, odzivnost naprave pa je bila približno 0,57 A/W. Leta 2011 je Vojaški raziskovalni laboratorij (ALR) uporabil PIN fotodetektorje za preučevanje liDAR-ja za navigacijo, izogibanje oviram/trčenjem in zaznavanje/identifikacijo ciljev kratkega dosega za majhna brezpilotna kopenska vozila, integriranega s poceni mikrovalovnim ojačevalnim čipom, ki je znatno izboljšal razmerje signal/šum PIN fotodetektorja InGaAs. Na tej podlagi je ALR leta 2012 uporabil ta liDAR-slikar za robote z dosegom zaznavanja več kot 50 m in ločljivostjo 256 × 128.

InGaAsplazovni fotodetektorje neke vrste fotodetektor z ojačanjem, katerega struktura je prikazana na sliki (c). Elektronsko-vrtenski par pod delovanjem električnega polja znotraj podvojitvenega območja pridobi dovolj energije, da trči v atom, ustvari nove elektronsko-vrtenske pare, tvori plazovni učinek in pomnoži neravnovesne nosilce v materialu. Leta 2013 je George M. uporabil MBE za rast zlitin InGaAs in InAlAs z ujemanjem mreže na InP substratu, pri čemer je s spremembami v sestavi zlitine, debelini epitaksialne plasti in dopiranju moduliral energijo nosilcev, da bi maksimiral ionizacijo elektrošoka in hkrati zmanjšal ionizacijo lukenj. Pri enakovrednem ojačanju izhodnega signala APD kaže nižji šum in nižji temni tok. Leta 2016 so Sun Jianfeng in sodelavci zgradili niz eksperimentalne platforme za aktivno slikanje z laserjem pri valovni dolžini 1570 nm, ki temelji na plazovnem fotodetektorju InGaAs. Notranje vezjeAPD fotodetektorSprejema odmeve in neposredno oddaja digitalne signale, zaradi česar je celotna naprava kompaktna. Eksperimentalni rezultati so prikazani na slikah (d) in (e). Slika (d) je fizična fotografija slikovne tarče, slika (e) pa je tridimenzionalna slika razdalje. Jasno je razvidno, da ima okno območja c določeno globinsko razdaljo z območjema A in b. Platforma dosega širino impulza manjšo od 10 ns, nastavljivo energijo posameznega impulza (1 ~ 3) mJ, kot vidnega polja sprejemne leče 2°, frekvenco ponavljanja 1 kHz, delovno razmerje detektorja približno 60 %. Zahvaljujoč notranjemu ojačanju fototoka APD, hitremu odzivu, kompaktni velikosti, vzdržljivosti in nizkim stroškom so lahko fotodetektorji APD za velikostni red višji v stopnji zaznavanja kot fotodetektorji PIN, zato trenutno prevladujejo predvsem plazoviti fotodetektorji.

Na splošno lahko s hitrim razvojem tehnologije priprave InGaAs doma in v tujini spretno uporabimo tehnologije MBE, MOCVD, LPE in druge za pripravo visokokakovostne epitaksialne plasti InGaAs na substratu InP z veliko površino. Fotodetektorji InGaAs kažejo nizek temni tok in visoko odzivnost, najnižji temni tok je nižji od 0,75 pA/μm², največji odziv je do 0,57 A/W in imajo hiter prehodni odziv (red ps). Prihodnji razvoj fotodetektorjev InGaAs se bo osredotočil na naslednja dva vidika: (1) Epitaksialna plast InGaAs se neposredno goji na substratu Si. Trenutno je večina mikroelektronskih naprav na trgu na osnovi Si, zato je splošni trend poznejši integrirani razvoj InGaAs in Si. Reševanje problemov, kot sta neusklajenost mreže in razlika v koeficientu toplotnega raztezanja, je ključnega pomena za preučevanje InGaAs/Si; (2) Tehnologija valovnih dolžin 1550 nm je zrela, razširjena valovna dolžina (2,0 ~ 2,5) μm pa je prihodnja raziskovalna smer. Z naraščanjem vsebnosti In komponent bo neusklajenost mreže med InP substratom in InGaAs epitaksialno plastjo povzročila resnejše dislokacije in napake, zato je treba optimizirati procesne parametre naprave, zmanjšati napake mreže in zmanjšati temni tok naprave.