StructuraFotodetector InGaAs
Încă din anii 1980, cercetătorii din țară și din străinătate au studiat structura fotodetectorilor de InGaAs, care sunt împărțiți în principal în trei tipuri. Acestea sunt fotodetectorii metal-semiconductor-metal din InGaAs (MSM-PD), fotodetectorii PIN din InGaAs (PIN-PD) și fotodetectorii de avalanșă din InGaAs (APD-PD). Există diferențe semnificative în procesul de fabricație și costul fotodetectorilor de InGaAs cu structuri diferite, precum și diferențe mari în performanța dispozitivelor.
InGaAs metal-semiconductor-metalfotodetector, prezentată în Figura (a), este o structură specială bazată pe joncțiunea Schottky. În 1992, Shi și colab. au utilizat tehnologia de epitaxie în fază de vapori metalo-organică la presiune joasă (LP-MOVPE) pentru a crește straturi de epitaxie și au preparat un fotodetector InGaAs MSM, care are o reactivitate ridicată de 0,42 A/W la o lungime de undă de 1,3 μm și un curent de întuneric mai mic de 5,6 pA/μm² la 1,5 V. În 1996, Zhang și colab. au utilizat epitaxia cu fascicul molecular în fază gazoasă (GSMBE) pentru a crește stratul de epitaxie InAlAs-InGaAs-InP. Stratul de InAlAs a prezentat caracteristici de rezistivitate ridicată, iar condițiile de creștere au fost optimizate prin măsurarea difracției de raze X, astfel încât nepotrivirea rețelei dintre straturile de InGaAs și InAlAs a fost în intervalul de 1×10⁻³. Acest lucru are ca rezultat o performanță optimizată a dispozitivului, cu un curent de întuneric sub 0,75 pA/μm² la 10 V și un răspuns tranzitoriu rapid de până la 16 ps la 5 V. În general, fotodetectorul cu structură MSM este simplu și ușor de integrat, prezentând un curent de întuneric scăzut (ordinul pA), dar electrodul metalic va reduce aria efectivă de absorbție a luminii a dispozitivului, astfel încât răspunsul este mai mic decât în cazul altor structuri.
Fotodetectorul PIN InGaAs introduce un strat intrinsec între stratul de contact de tip P și stratul de contact de tip N, așa cum se arată în Figura (b), ceea ce mărește lățimea regiunii de epuizare, radiind astfel mai multe perechi electron-gaură și formând un fotocurent mai mare, având astfel performanțe excelente de conducere a electronilor. În 2007, A. Poloczek și colab. au utilizat MBE pentru a crește un strat tampon la temperatură scăzută pentru a îmbunătăți rugozitatea suprafeței și a depăși nepotrivirea rețelei dintre Si și InP. MOCVD a fost utilizat pentru a integra structura PIN InGaAs pe substratul InP, iar reactivitatea dispozitivului a fost de aproximativ 0,57 A /W. În 2011, Laboratorul de Cercetare al Armatei (ALR) a utilizat fotodetectoare PIN pentru a studia un imager liDAR pentru navigație, evitarea obstacolelor/coliziunilor și detectarea/identificarea țintelor pe distanță scurtă pentru vehicule terestre mici fără pilot, integrat cu un cip amplificator cu microunde low-cost care a îmbunătățit semnificativ raportul semnal-zgomot al fotodetectorului PIN InGaAs. Pe această bază, în 2012, ALR a utilizat acest imager liDAR pentru roboți, cu o rază de detecție de peste 50 m și o rezoluție de 256 × 128.
InGaAsfotodetector de avalanșăeste un tip de fotodetector cu câștig, a cărui structură este prezentată în Figura (c). Perechea electron-gaură obține suficientă energie sub acțiunea câmpului electric din interiorul regiunii de dublare, astfel încât să se ciocnească cu atomul, să genereze noi perechi electron-gaură, să formeze un efect de avalanșă și să multiplice purtătorii de material aflati în dezechilibru. În 2013, George M a utilizat MBE pentru a crește aliaje InGaAs și InAlAs cu rețea potrivită pe un substrat InP, utilizând modificări ale compoziției aliajului, grosimii stratului epitaxial și dopajului pentru a modula energia purtătorului pentru a maximiza ionizarea prin electroșoc, minimizând în același timp ionizarea prin goluri. La câștigul echivalent al semnalului de ieșire, APD prezintă un zgomot mai mic și un curent de întuneric mai mic. În 2016, Sun Jianfeng și colab. au construit un set de platforme experimentale de imagistică laser activă de 1570 nm bazate pe fotodetectorul de avalanșă InGaAs. Circuitul intern alFotodetector APDa recepționat ecouri și a transmis direct semnale digitale, făcând întregul dispozitiv compact. Rezultatele experimentale sunt prezentate în FIG. (d) și (e). Figura (d) este o fotografie fizică a țintei de imagistică, iar Figura (e) este o imagine tridimensională la distanță. Se poate observa clar că zona ferestrei din zona c are o anumită distanță de adâncime față de zona A și b. Platforma realizează o lățime a impulsului mai mică de 10 ns, energie a unui singur impuls (1 ~ 3) mJ reglabilă, unghiul câmpului lentilei receptoare de 2°, frecvența de repetiție de 1 kHz, raportul de funcționare al detectorului de aproximativ 60%. Datorită câștigului intern de fotocurent al APD, răspunsului rapid, dimensiunilor compacte, durabilității și costului redus, fotodetectoarele APD pot avea o rată de detecție cu un ordin de mărime mai mare decât fotodetectoarele PIN, astfel încât liDAR-ul mainstream actual este dominat în principal de fotodetectoarele de avalanșă.
În general, odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei de preparare a InGaAs în țară și în străinătate, putem utiliza cu abilitate tehnologiile MBE, MOCVD, LPE și alte tehnologii pentru a prepara un strat epitaxial InGaAs de înaltă calitate, pe suprafață mare, pe substrat InP. Fotodetectoarele InGaAs prezintă un curent de întuneric scăzut și o reactivitate ridicată, cel mai mic curent de întuneric fiind mai mic de 0,75 pA/μm², reactivitatea maximă fiind de până la 0,57 A/W și are un răspuns tranzitoriu rapid (ordin ps). Dezvoltarea viitoare a fotodetectoarelor InGaAs se va concentra pe următoarele două aspecte: (1) Stratul epitaxial InGaAs este crescut direct pe substratul de Si. În prezent, majoritatea dispozitivelor microelectronice de pe piață sunt pe bază de Si, iar dezvoltarea integrată ulterioară a InGaAs și a celor pe bază de Si este tendința generală. Rezolvarea problemelor precum nepotrivirea rețelei și diferența coeficientului de dilatare termică este crucială pentru studiul InGaAs/Si; (2) Tehnologia cu lungimea de undă de 1550 nm este matură, iar lungimea de undă extinsă (2,0 ~ 2,5) μm este direcția viitoare de cercetare. Odată cu creșterea componentelor In, nepotrivirea rețelei dintre substratul InP și stratul epitaxial InGaAs va duce la dislocații și defecte mai grave, așa că este necesar să se optimizeze parametrii de procesare ai dispozitivului, să se reducă defectele de rețea și să se reducă curentul de întuneric al dispozitivului.
Data publicării: 06 mai 2024