Structura deFotodetector InGaAs
Începând cu anii 1980, cercetătorii din țară și din străinătate au studiat structura fotodetectorilor InGaAs, care sunt împărțiți în principal în trei tipuri. Acestea sunt fotodetectorul metal-semiconductor-metal InGaAs (MSM-PD), fotodetectorul PIN InGaAs (PIN-PD) și fotodetectorul InGaAs Avalanșă (APD-PD). Există diferențe semnificative în procesul de fabricație și costul fotodetectorilor InGaAs cu structuri diferite și există, de asemenea, diferențe mari în ceea ce privește performanța dispozitivului.
InGaAs metal-semiconductor-metalfotodetector, prezentată în figura (a), este o structură specială bazată pe joncțiunea Schottky. În 1992, Shi şi colab. a folosit tehnologia de epitaxie metalo-organică în fază de vapori de joasă presiune (LP-MOVPE) pentru a crește straturile de epitaxie și a pregătit fotodetectorul InGaAs MSM, care are o capacitate de răspuns 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. a folosit epitaxie cu fascicul molecular în fază gazoasă (GSMBE) pentru a crește stratul de epitaxie InAlAs-InGaAs-InP. Stratul 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 InGaAs și InAlAs a fost în intervalul 1×10⁻³. Acest lucru are ca rezultat o performanță optimizată a dispozitivului, cu curent de întuneric sub 0,75 pA/μm² la 10 V și 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 (pA). comanda), dar electrodul metalic va reduce aria efectivă de absorbție a luminii a dispozitivului, astfel încât răspunsul este mai mic decât alte structuri.
Fotodetectorul PIN InGaAs inserează un strat intrinsec între stratul de contact de tip P și stratul de contact de tip N, așa cum se arată în figura (b), care mărește lățimea regiunii de epuizare, radiind astfel mai multe perechi electroni-găuri și formând o fotocurent mai mare, deci are performanțe excelente de conducere a electronilor. În 2007, A.Poloczek et al. a folosit MBE pentru a crește un strat tampon la temperatură joasă pentru a îmbunătăți rugozitatea suprafeței și a depăși nepotrivirea rețelei dintre Si și InP. MOCVD a fost folosit pentru a integra structura PIN InGaAs pe substratul InP, iar capacitatea de răspuns a dispozitivului a fost de aproximativ 0,57A /W. În 2011, Laboratorul de Cercetare a Armatei (ALR) a folosit fotodetectoare PIN pentru a studia un aparat de imagine liDAR pentru navigare, evitarea obstacolelor/coliziunilor și detectarea/identificarea țintelor cu rază scurtă de acțiune pentru vehicule terestre fără pilot, integrate cu un cip amplificator cu microunde la preț redus care a îmbunătățit semnificativ raportul semnal-zgomot al fotodetectorului PIN InGaAs. Pe această bază, în 2012, ALR a folosit acest imager liDAR pentru roboți, cu o rază de detectare de peste 50 m și o rezoluție de 256 × 128.
InGaAsfotodetector de avalanșăeste un fel 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 de atom, să genereze noi perechi electron-gaură, să formeze un efect de avalanșă și să înmulțească purtătorii de neechilibru din material. . În 2013, George M a folosit MBE pentru a crește aliajele InGaAs și InAlAs potrivite cu rețea pe un substrat InP, folosind modificări ale compoziției aliajului, grosimii stratului epitaxial și dopaje la energia purtătorului modulată pentru a maximiza ionizarea electroșocului, minimizând în același timp ionizarea găurilor. La câștigul echivalent al semnalului de ieșire, APD arată un zgomot mai mic și un curent de întuneric mai mic. În 2016, Sun Jianfeng et al. a construit un set de platformă experimentală de imagistică activă cu laser de 1570 nm bazată pe fotodetectorul de avalanșă InGaAs. Circuitul intern alFotodetector APDa primit ecouri și a scos direct semnale digitale, făcând întregul dispozitiv compact. Rezultatele experimentale sunt prezentate în FIG. (d) și (e). Figura (d) este o fotografie fizică a țintei imagistice, iar Figura (e) este o imagine la distanță tridimensională. Se poate observa clar că zona ferestrei din zona c are o anumită distanță de adâncime cu zona A și b. Platforma realizează lățimea pulsului mai mică de 10 ns, energie un singur impuls (1 ~ 3) mJ reglabilă, câmpul lentilei de recepție Unghi de 2°, frecvența de repetiție de 1 kHz, raportul de funcționare al detectorului de aproximativ 60%. Datorită câștigului fotocurentului intern al APD, răspunsului rapid, dimensiunilor compacte, durabilității și costurilor reduse, fotodetectoarele APD pot fi cu un ordin de mărime mai mari în rata de detecție decât fotodetectoarele PIN, astfel încât actualul liDAR principal 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 folosi cu pricepere MBE, MOCVD, LPE și alte tehnologii pentru a pregăti stratul epitaxial de înaltă calitate InGaAs pe substrat InP. Fotodetectoarele InGaAs prezintă un curent de întuneric scăzut și o capacitate de răspuns ridicată, cel mai scăzut curent de întuneric este mai mic de 0,75 pA/μm², răspunsul maxim este de până la 0,57 A/W și are un răspuns tranzitoriu rapid (ordine ps). Dezvoltarea viitoare a fotodetectorilor InGaAs se va concentra pe următoarele două aspecte: (1) Stratul epitaxial InGaAs este crescut direct pe substrat de Si. În prezent, majoritatea dispozitivelor microelectronice de pe piață sunt bazate pe Si, iar dezvoltarea integrată ulterioară a InGaAs și pe baza de Si este tendința generală. Rezolvarea problemelor precum nepotrivirea rețelei și diferența de coeficient de dilatare termică este crucială pentru studiul InGaAs/Si; (2) Tehnologia cu lungimea de undă de 1550 nm a fost 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 dislocare și defecte mai grave, așa că este necesar să se optimizeze parametrii de proces al dispozitivului, să se reducă defectele rețelei și să se reducă curentul de întuneric al dispozitivului.
Ora postării: mai-06-2024