InGaAs fotodetektori struktuur

StruktuurInGaAs fotodetektor
Alates 1980. aastatest on teadlased uurinud InGaAs-fotodetektorite struktuuri, mida saab kokku võtta kolmeks peamiseks tüübiks: InGaAs, metall, pooljuht, metallfotodetektorid(MSM-PD), InGaAsPIN-fotodetektorid(PIN-PD) ja InGaAslaviini fotodetektorid(APD-PD). Erineva struktuuriga InGaAs-fotodetektorite tootmisprotsessis ja maksumuses on olulisi erinevusi ning ka seadmete jõudluses on olulisi erinevusi.
Joonisel on näidatud InGaAs metallpooljuht-metallfotodetektori struktuuri skemaatiline diagramm, mis on Schottky siirdel põhinev spetsiaalne struktuur. 1992. aastal kasutasid Shi jt. epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks ja InGaAs MSM-fotodetektorite valmistamiseks madalrõhu metallorgaanilise aurfaasi epitaksiat (LP-MOVPE) tehnoloogiat. Seadmel 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 teadlased gaasifaasi molekulaarkiire epitaksiat (GSMBE) InAlAs InGaAs InP epitaksiaalsete kihtide kasvatamiseks, millel olid kõrge takistus. Kasvutingimused optimeeriti röntgendifraktsioonimõõtmiste abil, mille tulemuseks oli InGaAs ja InAlAs kihtide võre mittevastavus vahemikus 1 × 10⁻³. Selle tulemusel optimeeriti seadme jõudlust, saavutades tumevoolu alla 0,75 pA/μm² pingel 10 V ja kiire siirdereaktsiooni 16 ps pingel 5 V. Üldiselt on MSM-struktuuriga fotodetektoril lihtne ja hõlpsasti integreeritav struktuur, millel on madalam tumevool (pA tase), kuid metallelektrood vähendab seadme efektiivset valguse neeldumisala, mille tulemuseks on madalam reageerimisvõime võrreldes teiste struktuuridega.

InGaAs PIN-fotodetektoril on P-tüüpi kontaktkihi ja N-tüüpi kontaktkihi vahele paigutatud sisemine kiht, nagu joonisel näidatud, mis suurendab ammendumispiirkonna laiust, kiirates seeläbi rohkem elektronaugu paare ja moodustades suurema fotovoolu, omades seega suurepärast elektrijuhtivust. 2007. aastal kasutasid teadlased MBE-d madalatemperatuuriliste puhverkihtide kasvatamiseks, parandades pinna karedust ja ületades Si ja InP võre mittevastavuse. Nad integreerisid InGaAs PIN-struktuurid InP-substraatidele MOCVD abil ja seadme reageerimisvõime oli ligikaudu 0,57 A/W. 2011. aastal kasutasid teadlased PIN-fotodetektoreid lühikese ulatusega LiDAR-pildistusseadme väljatöötamiseks navigeerimiseks, takistuste/kokkupõrgete vältimiseks ja väikeste mehitamata maapealsete sõidukite sihtmärkide tuvastamiseks/äratundmiseks. Seade oli integreeritud odava mikrolaine võimendi kiibiga, mis parandas oluliselt InGaAs PIN-fotodetektorite signaali-müra suhet. Selle põhjal rakendasid teadlased 2012. aastal seda LiDAR-pildistusseadet robotitel, mille tuvastusulatus oli üle 50 meetri ja eraldusvõime suurendati 256 × 128-ni.
InGaAs-i laviinifotodetektor on võimendusega fotodetektori tüüp, nagu on näidatud struktuuriskeemil. Elektronaugu paarid saavad elektrivälja toimel kahekordistuspiirkonnas piisavalt energiat ja põrkuvad aatomitega, et tekitada uusi elektronaugu paare, moodustades laviiniefekti ja kahekordistades materjalis mittetasakaalulisi laengukandjaid. 2013. aastal kasutasid teadlased MBE-d võrega sobitatud InGaAs-i ja InAlAs-i sulamite kasvatamiseks InP aluspindadel, moduleerides laengukandjate energiat sulami koostise, epitaksiaalse kihi paksuse ja legeerimise muutmise kaudu, maksimeerides elektrošoki ionisatsiooni ja minimeerides aukude ionisatsiooni. Samaväärse väljundsignaali võimenduse korral on APD-l madal müratase ja madalam tumevool. 2016. aastal konstrueerisid teadlased InGaAs-i laviinifotodetektoritel põhineva 1570 nm laseraktiivse pildistamise eksperimentaalse platvormi. Sisemine vooluringAPD fotodetektorvastuvõetud kajad ja väljastavad 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 tsooni C aknaala on tsoonidest A ja B teatud sügavuskaugusel. See platvorm saavutab impulsi laiuse alla 10 ns, reguleeritava üksikimpulsi energia (1-3) mJ, saatva ja vastuvõtva läätse vaatevälja 2°, kordumissageduse 1 kHz ja detektori töötsükli ligikaudu 60%. Tänu sisemisele fotovoolu võimendusele, kiirele reageerimisvõimele, kompaktsele suurusele, vastupidavusele ja APD madalale hinnale suudavad APD fotodetektorid saavutada PIN-fotodetektoritest ühe suurusjärgu võrra kõrgema tuvastuskiiruse. Seetõttu kasutab peavoolu laserradarid praegu peamiselt laviinifotodetektoreid.