InGaAs fotodetektori struktuur

StruktuurInGaAs fotodetektor

Alates 1980. aastatest on nii kodu- kui ka välismaised teadlased uurinud InGaAs-fotodetektorite struktuuri, mis jagunevad peamiselt kolme tüüpi. Need on InGaAs-metall-pooljuht-metall-fotodetektor (MSM-PD), InGaAs-PIN-fotodetektor (PIN-PD) ja InGaAs-laviinifotodetektor (APD-PD). Erineva struktuuriga InGaAs-fotodetektorite valmistamisprotsessis ja maksumuses on olulisi erinevusi ning ka seadmete jõudluses on suuri erinevusi.

InGaAs metall-pooljuht-metallfotodetektor, mis on näidatud joonisel (a), on Schottky siirdel põhinev eriline struktuur. 1992. aastal kasutasid Shi jt. epitaksiaalkihtide kasvatamiseks madalrõhu metall-orgaanilise aurfaasi epitaksiaaltehnoloogiat (LP-MOVPE) ja valmistasid InGaAs MSM fotodetektori, millel on kõrge reageerimisvõime 0,42 A/W lainepikkusel 1,3 μm ja tumevool alla 5,6 pA/ μm² pingel 1,5 V. 1996. aastal kasutasid zhang jt. InAlAs-InGaAs-InP epitaksiaalkihi kasvatamiseks gaasifaasi molekulaarkiire epitaksiaalmeetodit (GSMBE). InAlAs kihil olid kõrged takistusomadused ja kasvutingimused optimeeriti röntgendifraktsiooni mõõtmise abil, nii et InGaAs ja InAlAs kihtide võre mittevastavus oli vahemikus 1×10⁻³. Selle tulemuseks on seadme optimaalne jõudlus, kus tumevool on alla 0,75 pA/μm² 10 V juures ja kiire siirdekarakteristik kuni 16 ps 5 V juures. Üldiselt on MSM-struktuuriga fotodetektor lihtne ja hõlpsasti integreeritav, näidates madalat tumevoolu (pA suurusjärgus), kuid metallelektrood vähendab seadme efektiivset valguse neeldumisala, mistõttu on reaktsioon madalam kui teistel struktuuridel.

InGaAs PIN-fotodetektor lisab P-tüüpi kontaktkihi ja N-tüüpi kontaktkihi vahele sisemise kihi, nagu on näidatud joonisel (b), mis suurendab ammendumispiirkonna laiust, kiirates seega rohkem elektron-auk paare ja moodustades suurema fotovoolu, seega on sellel suurepärane elektronjuhtivus. 2007. aastal kasutasid A. Poloczek jt MBE-d madala temperatuuriga puhverkihi kasvatamiseks, et parandada pinna karedust ja ületada Si ja InP võre mittevastavus. MOCVD-d kasutati InGaAs PIN-struktuuri integreerimiseks InP aluspinnale ja seadme reageerimisvõime oli umbes 0,57 A/W. 2011. aastal kasutas Armee Uurimislabor (ALR) PIN-fotodetektoreid, et uurida liDAR-pildindajat navigeerimiseks, takistuste/kokkupõrgete vältimiseks ja lühikese ulatusega sihtmärkide tuvastamiseks/identifitseerimiseks väikeste mehitamata maapealsete sõidukite jaoks, mis oli integreeritud odava mikrolaine võimendi kiibiga, mis parandas oluliselt InGaAs PIN-fotodetektori signaali-müra suhet. Selle põhjal kasutas ALR 2012. aastal robotite jaoks seda liDAR-pildindajat, mille tuvastusulatus oli üle 50 m ja eraldusvõime 256 × 128.

InGaAslaviini fotodetektoron võimendusega fotodetektor, mille struktuur on näidatud joonisel (c). Elektron-auk paar saab elektrivälja toimel kahekordistumispiirkonnas piisavalt energiat, et aatomiga kokku põrgata, genereerida uusi elektron-auk paare, moodustada laviiniefekt ja korrutada materjalis mittetasakaalulisi laengukandjaid. 2013. aastal kasutas George M MBE-d võrega sobitatud InGaAs ja InAlAs sulamite kasvatamiseks InP substraadil, kasutades sulami koostise, epitaksiaalse kihi paksuse ja moduleeritud laengukandjate energia legeerimise muutusi, et maksimeerida elektrošoki ionisatsiooni, minimeerides samal ajal aukude ionisatsiooni. Samaväärse väljundsignaali võimenduse korral näitab APD madalamat müra ja madalamat tumevoolu. 2016. aastal ehitasid Sun Jianfeng jt. 1570 nm laseraktiivse pildistamise eksperimentaalse platvormi komplekti, mis põhineb InGaAs laviinifotodetektoril. Sisemine vooluringAPD fotodetektorvõtab vastu kajasid ja väljastab otse digitaalsignaale, muutes kogu seadme kompaktseks. Eksperimentaalsed tulemused on näidatud joonistel (d) ja (e). Joonis (d) on pildistamissihtmärgi füüsiline foto ja joonis (e) on kolmemõõtmeline kauguspilt. On selgelt näha, et ala c aknaalal on teatud sügavuskaugus aladega A ja b. Platvorm realiseerib impulsi laiuse alla 10 ns, üksiku impulsi energia (1 ~ 3) mJ reguleeritav, vastuvõtuläätse välja nurk 2°, kordussagedus 1 kHz, detektori töösuhe umbes 60%. Tänu APD sisemisele fotovoolu võimendusele, kiirele reageerimisvõimele, kompaktsele suurusele, vastupidavusele ja madalale hinnale võivad APD fotodetektorid olla PIN-fotodetektoritega võrreldes suurusjärgu võrra kõrgema tuvastusmääraga, seega domineerivad praeguses peavoolu liDAR-is peamiselt laviinifotodetektorid.

Üldiselt, tänu InGaAs-i ettevalmistustehnoloogia kiirele arengule nii kodu- kui ka välismaal, saame oskuslikult kasutada MBE, MOCVD, LPE ja teisi tehnoloogiaid, et valmistada InP-substraadile suure pindalaga kvaliteetseid InGaAs-i epitaksiaalkihte. InGaAs-i fotodetektoritel on madal tumevool ja kõrge reageerimisvõime, madalaim tumevool on alla 0,75 pA/μm², maksimaalne reageerimisvõime on kuni 0,57 A/W ja neil on kiire siirdekarakteristik (ps järk). InGaAs-i fotodetektorite edasine arendamine keskendub kahele järgmisele aspektile: (1) InGaAs-i epitaksiaalkiht kasvatatakse otse räni-substraadile. Praegu on enamik turul olevaid mikroelektroonilisi seadmeid ränipõhised ning InGaAs-i ja ränipõhiste seadmete integreeritud arendamine on üldine trend. Selliste probleemide lahendamine nagu võre mittevastavus ja soojuspaisumisteguri erinevus on InGaAs/Si uurimisel ülioluline; (2) 1550 nm lainepikkuse tehnoloogia on küps ja pikendatud lainepikkus (2,0 ~ 2,5) μm on tulevane uurimissuund. In-komponentide suurenemisega põhjustab InP-substraadi ja InGaAs-i epitaksiaalkihi võre mittevastavus tõsisemaid dislokatsioone ja defekte, mistõttu on vaja optimeerida seadme protsessiparameetreid, vähendada võredefekte ja seadme tumevoolu.