Structura fotodetectorului InGaAs

StructuraFotodetector InGaAs
Încă din anii 1980, cercetătorii au studiat structura fotodetectorilor de InGaAs, care pot fi rezumate în trei tipuri principale: InGaAs metalic, semiconductor metalicfotodetectoare(MSM-PD), InGaAsFotodetectoare PIN(PIN-PD) și InGaAsfotodetectoare de avalanșă(APD-PD). Există diferențe semnificative în procesul de producție și costul fotodetectorilor InGaAs cu structuri diferite și, de asemenea, există diferențe semnificative în performanța dispozitivului.
Diagrama schematică a structurii fotodetectorului metalic semiconductor din InGaAs este prezentată în figură, aceasta fiind o structură specială bazată pe joncțiunea Schottky. În 1992, Shi și colab. au utilizat tehnologia epitaxiei în fază de vapori metalo-organică la presiune joasă (LP-MOVPE) pentru a crește straturi epitaxiale și a prepara fotodetectoare InGaAs MSM. Dispozitivul are o responsivitate 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, cercetătorii au utilizat epitaxia cu fascicul molecular în fază gazoasă (GSMBE) pentru a crește straturi epitaxiale de InAlAs/InGaAs/InP, care au prezentat caracteristici de rezistivitate ridicată. Condițiile de creștere au fost optimizate prin măsurători de difracție cu raze X, rezultând o nepotrivire a rețelei între straturile de InGaAs și InAlAs în intervalul de 1 × 10⁻³. Drept urmare, performanța dispozitivului a fost optimizată, cu un curent de întuneric mai mic de 0,75 pA/μ m² la 10 V și un răspuns tranzitoriu rapid de 16 ps la 5 V. Per total, fotodetectorul cu structură MSM are o structură simplă și ușor de integrat, prezentând un curent de întuneric (nivel pA) mai mic, dar electrodul metalic reduce aria efectivă de absorbție a luminii a dispozitivului, rezultând o responsivitate mai mică în comparație cu alte structuri.

Fotodetectorul PIN din InGaAs are un strat intrinsec inserat între stratul de contact de tip P și stratul de contact de tip N, așa cum se arată în figură, care mărește lățimea regiunii de epuizare, radiind astfel mai multe perechi de electroni și goluri și formând un fotocurent mai mare, prezentând astfel o conductivitate electronică excelentă. În 2007, cercetătorii au folosit MBE pentru a crește straturi tampon la temperatură scăzută, îmbunătățind rugozitatea suprafeței și depășind nepotrivirea rețelei dintre Si și InP. Aceștia au integrat structuri PIN din InGaAs pe substraturi InP folosind MOCVD, iar reactivitatea dispozitivului a fost de aproximativ 0,57 A/W. În 2011, cercetătorii au folosit fotodetectoare PIN pentru a dezvolta un dispozitiv de imagistică LiDAR cu rază scurtă de acțiune pentru navigație, evitarea obstacolelor/coliziunilor și detectarea/recunoașterea țintelor vehiculelor terestre mici fără pilot. Dispozitivul a fost integrat cu un cip amplificator cu microunde cu cost redus, îmbunătățind semnificativ raportul semnal-zgomot al fotodetectoarelor PIN din InGaAs. Pe această bază, în 2012, cercetătorii au aplicat acest dispozitiv de imagistică LiDAR la roboți, cu o rază de detecție de peste 50 de metri și o rezoluție crescută la 256 × 128.
Fotodetectorul de avalanșă InGaAs este un tip de fotodetector cu câștig, așa cum se arată în diagrama structurii. Perechile de electroni și goluri obțin suficientă energie sub acțiunea câmpului electric din interiorul regiunii de dublare și se ciocnesc cu atomii pentru a genera noi perechi de electroni și goluri, formând un efect de avalanșă și dublând purtătorii de sarcină aflați în dezechilibru din material. În 2013, cercetătorii au folosit MBE pentru a crește aliaje InGaAs și InAlAs potrivite în rețea pe substraturi InP, modulând energia purtătorilor prin modificări ale compoziției aliajului, grosimii stratului epitaxial și dopajului, maximizând ionizarea prin electroșoc și minimizând în același timp ionizarea golurilor. În condiții de câștig echivalent al semnalului de ieșire, APD prezintă un zgomot redus și un curent de întuneric mai mic. În 2016, cercetătorii au construit o platformă experimentală de imagistică laser activă de 1570 nm bazată pe fotodetectoare de avalanșă InGaAs. Circuitul intern al...Fotodetector APDecouri recepționate și semnale digitale transmise direct, întregul dispozitiv fiind compact. Rezultatele experimentale sunt prezentate în Figurile (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 Zonele A și B. Această platformă realizează o lățime a impulsului mai mică de 10 ns, o energie a impulsului unic reglabilă (1-3) mJ, un unghi de câmp vizual de 2° pentru lentilele de transmisie și recepție, o rată de repetiție de 1 kHz și un ciclu de funcționare al detectorului de aproximativ 60%. Datorită câștigului intern al fotocurentului, răspunsului rapid, dimensiunilor compacte, durabilității și costului redus al APD, fotodetectoarele APD pot atinge o rată de detecție cu un ordin de mărime mai mare decât fotodetectoarele PIN. Prin urmare, în prezent, radarul laser obișnuit utilizează în principal fotodetectoare de avalanșă.