InGaAs fotodetektori struktuur

StruktuurInGaAs fotodetektor

Alates 1980. aastatest on kodu- ja välismaised teadlased uurinud InGaAs fotodetektorite ehitust, mis jagunevad peamiselt kolme tüüpi. Need on InGaAs metall-pooljuht-metalli fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetektor (PIN-PD) ja InGaAs laviini fotodetektor (APD-PD). Erineva struktuuriga InGaAs fotodetektorite tootmisprotsessis ja maksumuses on olulisi erinevusi, samuti on suuri erinevusi seadmete jõudluses.

InGaAs metall-pooljuht-metallfotodetektor, mis on näidatud joonisel (a), on spetsiaalne struktuur, mis põhineb Schottky ristmikul. 1992. aastal Shi et al. kasutas madalrõhu metall-orgaanilise aurufaasi epitaksitehnoloogiat (LP-MOVPE) epitaksikihtide kasvatamiseks ja valmistas InGaAs MSM fotodetektorit, millel on kõrge tundlikkus 0,42 A/W lainepikkusel 1,3 μm ja tumevool alla 5,6 pA/ μm² 1,5 V juures. 1996. aastal avaldasid zhang et al. kasutas InAlAs-InGaAs-InP epitaksiakihi kasvatamiseks gaasifaasi molekulaarkiire epitaksikat (GSMBE). InAlAs kiht näitas kõrgeid eritakistusomadusi ja kasvutingimused optimeeriti röntgendifraktsiooni mõõtmisega, nii et InGaAs ja InAlAs kihtide võre mittevastavus jäi vahemikku 1 × 10⁻3. Selle tulemuseks on seadme optimeeritud jõudlus tumevooluga alla 0,75 pA/μm² pingel 10 V ja kiire transientreaktsiooniga kuni 16 ps pingel 5 V. Üldiselt on MSM-i struktuuriga fotodetektor lihtne ja hõlpsasti integreeritav, näidates madalat tumevoolu (pA) järjekorras), kuid metallelektrood vähendab seadme efektiivset valguse neeldumisala, nii et reaktsioon on madalam kui teistel struktuuridel.

InGaAs PIN-i fotodetektor sisestab P-tüüpi kontaktkihi ja N-tüüpi kontaktkihi vahele sisemise kihi, nagu on näidatud joonisel (b), mis suurendab ammendumispiirkonna laiust, kiirgades seega rohkem elektron-augu paare ja moodustades suurem fotovool, seega on sellel suurepärane elektronjuhtivus. 2007. aastal tegid A.Poloczek jt. kasutas MBE-d madala temperatuuriga puhverkihi kasvatamiseks, et parandada pinna karedust ja ületada võre ebakõla Si ja InP vahel. MOCVD-d kasutati InGaAs PIN-struktuuri integreerimiseks InP substraadile ja seadme reageerimisvõime oli umbes 0, 57 A / W. 2011. aastal kasutas armee uurimislabor (ALR) PIN-fotodetektoreid, et uurida liDAR-kujutist navigeerimiseks, takistuste/kokkupõrgete vältimiseks ja väikeste mehitamata maismaasõidukite sihtmärkide tuvastamiseks/identifitseerimiseks, mis on integreeritud odava mikrolainevõimendi kiibiga. parandas oluliselt InGaAs PIN-fotodetektori signaali-müra suhet. Selle põhjal kasutas ALR 2012. aastal robotite jaoks seda liDAR-i kujutist, mille tuvastamisulatus oli üle 50 m ja eraldusvõime 256 × 128.

InGaAslaviini fotodetektoron võimendusega fotodetektor, mille struktuur on näidatud joonisel (c). Elektron-augu paar saab kahekordistuspiirkonnas elektrivälja toimel piisavalt energiat, et põrkaks kokku aatomiga, tekiks uued elektron-augu paarid, tekiks laviiniefekt ja mitmekordistuks materjalis mittetasakaalulised kandjad. . 2013. aastal kasutas George M MBE-d, et kasvatada InP-substraadil võre sobitatud InGaAs ja InAlAs sulameid, kasutades sulami koostise, epitaksiaalse kihi paksuse muutusi ja dopingut moduleeritud kandja energiaga, et maksimeerida elektrišoki ionisatsiooni, minimeerides samal ajal aukude ionisatsiooni. Samaväärse väljundsignaali võimenduse korral näitab APD väiksemat müra ja väiksemat tumevoolu. 2016. aastal avaldasid Sun Jianfeng jt. ehitas InGaAs laviini fotodetektoril põhineva 1570 nm laseraktiivse pildistamise eksperimentaalse platvormi komplekti. Sisemine vooluahelAPD fotodetektorvastuvõetud kajad ja otse väljastavad digitaalsed signaalid, muutes kogu seadme kompaktseks. Katsetulemused on näidatud joonisel fig. (d) ja (e). Joonis (d) on kujutise sihtmärgi füüsiline foto ja joonis (e) on kolmemõõtmeline kauguspilt. Selgelt on näha, et ala c aknapinnal on pindalaga A ja b teatud sügavuskaugus. Platvorm realiseerib impulsi laiuse alla 10 ns, ühe impulsi energiat (1 ~ 3) mJ saab reguleerida, vastuvõtva objektiivi välja nurk 2°, kordussagedus 1 kHz, detektori töösuhe umbes 60%. Tänu APD sisemisele fotovoolu võimendusele, kiirele reageerimisele, kompaktsele suurusele, vastupidavusele ja odavatele kuludele võivad APD fotodetektorid olla suurusjärgu võrra kõrgemad kui PIN-fotodetektorid, nii et praeguses liDAR-i peavoolus domineerivad peamiselt laviinifotodetektorid.

Üldiselt saame InGaAs-i ettevalmistustehnoloogia kiire arenguga nii kodu- kui ka välismaal oskuslikult kasutada MBE-d, MOCVD-d, LPE-d ja muid tehnoloogiaid, et valmistada InP-substraadile suure pindalaga kvaliteetset InGaAs-epitaksiaalkihti. InGaAs fotodetektoritel on madal tumevool ja kõrge reageerimisvõime, madalaim tumevool on madalam kui 0,75 pA/μm², maksimaalne tundlikkus on kuni 0,57 A/W ja neil on kiire transientreaktsioon (ps järjekord). InGaAs fotodetektorite edasine arendamine keskendub kahele järgmisele aspektile: (1) InGaAs epitaksiaalkihti kasvatatakse otse Si substraadil. Praegu on enamus turul olevatest mikroelektroonikaseadmetest Si-põhised ja järgnev InGaA-de ja Si-põhiste integreeritud arendamine on üldine suundumus. Selliste probleemide lahendamine nagu võre ebakõla ja soojuspaisumise koefitsiendi erinevus on InGaAs/Si uurimisel ülioluline; (2) 1550 nm lainepikkuse tehnoloogia on välja kujunenud ja laiendatud lainepikkus (2,0 ~ 2,5) μm on tulevane uurimissuund. In komponentide arvu suurenemisega põhjustab InP substraadi ja InGaAs epitaksiaalse kihi vaheline võre ebakõla tõsisemate dislokatsioonide ja defektideni, mistõttu on vaja optimeerida seadme protsessi parameetreid, vähendada võre defekte ja vähendada seadme tumevoolu.