Struktura fotodetektorja InGaAs

StrukturaInGaAs fotodetektor
Raziskovalci že od osemdesetih let prejšnjega stoletja preučujejo strukturo fotodetektorjev InGaAs, ki jih lahko povzamemo v tri glavne tipe: kovina InGaAs, polprevodnik, kovinafotodetektorji(MSM-PD), InGaAsPIN fotodetektorji(PIN-PD) in InGaAsplazovi fotodetektorji(APD-PD). Obstajajo znatne razlike v proizvodnem procesu in stroških InGaAs fotodetektorjev z različnimi strukturami, obstajajo pa tudi znatne razlike v delovanju naprav.
Shematski diagram strukture kovinsko-polprevodniškega kovinskega fotodetektorja InGaAs je prikazan na sliki, ki je posebna struktura, ki temelji na Schottkyjevem spoju. Leta 1992 so Shi in sodelavci uporabili tehnologijo nizkotlačne kovinsko-organske parne epitaksije (LP-MOVPE) za rast epitaksialnih plasti in pripravo fotodetektorjev InGaAs MSM. Naprava ima visoko odzivnost 0,42 A/W pri valovni dolžini 1,3 μm in temni tok manjši od 5,6 pA/μ m² pri 1,5 V. Leta 1996 so raziskovalci uporabili plinsko-fazno molekularno žarkovno epitaksijo (GSMBE) za rast epitaksialnih plasti InAlAs InGaAs InP, ki so pokazale visoke upornostne lastnosti. Pogoji rasti so bili optimizirani z meritvami rentgenske difrakcije, kar je povzročilo neusklajenost mreže med plastmi InGaAs in InAlAs v območju 1 × 10⁻³. Posledično je bila zmogljivost naprave optimizirana, s temnim tokom manj kot 0,75 pA/μ m² pri 10 V in hitrim prehodnim odzivom 16 ps pri 5 V. Na splošno ima fotodetektor strukture MSM preprosto in enostavno integrirano strukturo, ki kaže nižji temni tok (raven pA), vendar kovinska elektroda zmanjša efektivno površino absorpcije svetlobe naprave, kar ima za posledico nižjo odzivnost v primerjavi z drugimi strukturami.

PIN fotodetektor InGaAs ima intrinzično plast, vstavljeno med kontaktno plastjo tipa P in kontaktno plastjo tipa N, kot je prikazano na sliki, ki poveča širino območja osiromašenja, s čimer seva več parov elektronskih vrzeli in tvori večji fototok, kar kaže na odlično elektronsko prevodnost. Leta 2007 so raziskovalci z MBE vzgojili nizkotemperaturne puferske plasti, s čimer so izboljšali hrapavost površine in premagali neusklajenost mreže med Si in InP. Z uporabo MOCVD so integrirali PIN strukture InGaAs na InP substrate, odzivnost naprave pa je bila približno 0,57 A/W. Leta 2011 so raziskovalci z PIN fotodetektorji razvili napravo za slikanje LiDAR kratkega dosega za navigacijo, izogibanje oviram/trčenjem ter zaznavanje/prepoznavanje ciljev majhnih brezpilotnih kopenskih vozil. Naprava je bila integrirana s cenovno ugodnim mikrovalovnim ojačevalnim čipom, kar je znatno izboljšalo razmerje signal/šum PIN fotodetektorjev InGaAs. Na tej podlagi so raziskovalci leta 2012 to napravo za slikanje LiDAR uporabili pri robotih, z dosegom zaznavanja več kot 50 metrov in ločljivostjo, povečano na 256 × 128.
Lavinski fotodetektor InGaAs je vrsta fotodetektorja z ojačanjem, kot je prikazano na strukturnem diagramu. Elektronsko-vrinski pari pridobijo zadostno energijo pod delovanjem električnega polja znotraj podvojitvenega območja in trčijo v atome, da ustvarijo nove elektronsko-vrinski pare, kar tvori plazovni učinek in podvoji neravnovesne nosilce naboja v materialu. Leta 2013 so raziskovalci uporabili MBE za gojenje zlitin InGaAs in InAlAs z ujemajočo se mrežo na InP substratih, pri čemer so modulirali energijo nosilcev s spremembami v sestavi zlitine, debelini epitaksialne plasti in dopiranju, s čimer so maksimizirali ionizacijo z elektrošokom in hkrati zmanjšali ionizacijo lukenj. Pri enakovrednem ojačanju izhodnega signala ima APD nizek šum in nižji temni tok. Leta 2016 so raziskovalci zgradili eksperimentalno platformo za lasersko aktivno slikanje z valovno dolžino 1570 nm, ki temelji na lavinskih fotodetektorjih InGaAs. Notranje vezje...APD 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 slikovnega cilja, slika (e) pa je tridimenzionalna slika razdalje. Jasno je razvidno, da ima območje okna v coni C določeno globinsko razdaljo od con A in B. Ta platforma dosega širino impulza manjšo od 10 ns, nastavljivo energijo posameznega impulza (1-3) mJ, vidni kot 2 ° za oddajno in sprejemno lečo, hitrost ponovitve 1 kHz in delovni cikel detektorja približno 60 %. Zahvaljujoč notranjemu ojačanju fototoka, hitremu odzivu, kompaktni velikosti, vzdržljivosti in nizkim stroškom APD lahko fotodetektorji APD dosežejo stopnjo zaznavanja, ki je za velikostni red višja od PIN fotodetektorjev. Zato trenutno glavni laserski radar uporablja predvsem plazove fotodetektorje.