InGaAs fotodetektora uzbūve

StruktūraInGaAs fotodetektors

Kopš 1980. gadiem pētnieki gan mājās, gan ārvalstīs ir pētījuši InGaAs fotodetektoru struktūru, kas galvenokārt tiek iedalīti trīs veidos. Tie ir InGaAs metāla pusvadītāju-metāla fotodetektors (MSM-PD), InGaAs PIN fotodetektors (PIN-PD) un InGaAs lavīnas fotodetektors (APD-PD). Pastāv būtiskas atšķirības InGaAs fotodetektoru ar dažādu struktūru izgatavošanas procesā un izmaksās, kā arī ir lielas atšķirības ierīces veiktspējā.

InGaAs metāls-pusvadītājs-metālsfotodetektors, kas parādīts (a) attēlā, ir īpaša struktūra, kuras pamatā ir Šotki krustojums. 1992. gadā Shi et al. izmantoja zemspiediena metālorganiskās tvaika fāzes epitaksijas tehnoloģiju (LP-MOVPE) epitaksijas slāņu audzēšanai un sagatavoja InGaAs MSM fotodetektoru, kuram ir augsta jutība 0,42 A/W pie viļņa garuma 1,3 μm un tumšā strāva, kas zemāka par 5,6 pA/ μm² pie 1,5 V. 1996. gadā zhang et al. izmantoja gāzes fāzes molekulārā stara epitaksiju (GSMBE), lai audzētu InAlAs-InGaAs-InP epitaksijas slāni. InAlAs slānim bija augstas pretestības īpašības, un augšanas apstākļi tika optimizēti ar rentgenstaru difrakcijas mērījumiem, lai režģa neatbilstība starp InGaAs un InAlAs slāņiem būtu 1 × 10⁻³ diapazonā. Tas nodrošina optimizētu ierīces veiktspēju ar tumšo strāvu zem 0,75 pA/μm² pie 10 V un ātru pārejas reakciju līdz 16 ps pie 5 V. Kopumā MSM struktūras fotodetektors ir vienkāršs un viegli integrējams, rāda zemu tumšo strāvu (pA). pasūtījums), bet metāla elektrods samazinās ierīces efektīvo gaismas absorbcijas laukumu, tāpēc reakcija ir zemāka nekā citām konstrukcijām.

InGaAs PIN fotodetektors ievieto iekšējo slāni starp P veida kontakta slāni un N tipa kontakta slāni, kā parādīts (b) attēlā, kas palielina izsīkuma apgabala platumu, tādējādi izstarojot vairāk elektronu caurumu pāru un veidojot lielāka fotostrāva, tāpēc tai ir lieliska elektronu vadītspēja. 2007. gadā A.Poločeks u.c. izmantoja MBE, lai audzētu zemas temperatūras bufera slāni, lai uzlabotu virsmas raupjumu un pārvarētu režģa neatbilstību starp Si un InP. MOCVD tika izmantots, lai integrētu InGaAs PIN struktūru uz InP substrāta, un ierīces reaģētspēja bija aptuveni 0, 57 A / W. 2011. gadā Armijas pētniecības laboratorija (ALR) izmantoja PIN fotodetektorus, lai pētītu liDAR attēlu, kas paredzēts navigācijai, šķēršļu/sadursmju novēršanai un mazo bezpilota sauszemes transportlīdzekļu maza attāluma mērķa noteikšanai/identifikācijai, kas integrēts ar zemu izmaksu mikroviļņu pastiprinātāja mikroshēmu, kas ievērojami uzlaboja InGaAs PIN fotodetektora signāla un trokšņa attiecību. Pamatojoties uz to, 2012. gadā ALR izmantoja šo liDAR attēlu ierīci robotiem ar noteikšanas diapazonu, kas pārsniedz 50 m, un izšķirtspēju 256 × 128.

InGaAslavīnu fotodetektorsir sava veida fotodetektors ar pastiprinājumu, kura struktūra parādīta attēlā (c). Elektronu-caurumu pāris iegūst pietiekami daudz enerģijas elektriskā lauka iedarbībā dubultošanās apgabalā, lai sadurtos ar atomu, radītu jaunus elektronu caurumu pārus, veidotu lavīnas efektu un pavairotu līdzsvara nesējus materiālā. . 2013. gadā Džordžs M izmantoja MBE, lai uz InP substrāta audzētu režģi, kas atbilst InGaAs un InAlAs sakausējumiem, izmantojot izmaiņas sakausējuma sastāvā, epitaksiskā slāņa biezumā un modulētās nesēja enerģijas dopingu, lai maksimāli palielinātu elektrošoka jonizāciju, vienlaikus samazinot caurumu jonizāciju. Pie līdzvērtīga izejas signāla pastiprinājuma APD parāda mazāku troksni un mazāku tumšo strāvu. 2016. gadā Sun Jianfeng et al. izveidoja 1570 nm lāzera aktīvās attēlveidošanas eksperimentālās platformas komplektu, pamatojoties uz InGaAs lavīnu fotodetektoru. Iekšējā ķēdeAPD fotodetektorssaņēma atbalsis un tieši izvada digitālos signālus, padarot visu ierīci kompaktu. Eksperimenta rezultāti ir parādīti attēlā. d) un e) apakšpunktu. Attēls (d) ir attēlveidošanas mērķa fiziskais fotoattēls, un (e) attēls ir trīsdimensiju attāluma attēls. Skaidri redzams, ka laukuma c loga laukumam ir noteikts dziļuma attālums ar laukumu A un b. Platforma realizē impulsa platumu, kas mazāks par 10 ns, viena impulsa enerģija (1 ~ 3) mJ regulējama, uztveršanas objektīva lauks Leņķis 2°, atkārtošanās frekvence 1 kHz, detektora darbības koeficients aptuveni 60%. Pateicoties APD iekšējam fotostrāvas pastiprinājumam, ātrai reakcijai, kompaktam izmēram, izturībai un zemām izmaksām, APD fotodetektoru noteikšanas ātrums var būt par vienu pakāpi augstāks nekā PIN fotodetektoriem, tāpēc pašreizējā galvenajā liDAR pārsvarā dominē lavīnu fotodetektori.

Kopumā, strauji attīstoties InGaAs sagatavošanas tehnoloģijai gan mājās, gan ārvalstīs, mēs varam prasmīgi izmantot MBE, MOCVD, LPE un citas tehnoloģijas, lai sagatavotu lielas platības augstas kvalitātes InGaAs epitaksiālo slāni uz InP substrāta. InGaAs fotodetektoriem ir zema tumšā strāva un augsta reaģētspēja, zemākā tumšā strāva ir zemāka par 0,75 pA/μm², maksimālā reaģētspēja ir līdz 0,57 A/W, un tiem ir ātra pārejoša reakcija (ps secība). Turpmākajā InGaAs fotodetektoru attīstībā galvenā uzmanība tiks pievērsta šādiem diviem aspektiem: (1) InGaAs epitaksiālais slānis tiek tieši audzēts uz Si substrāta. Pašlaik lielākā daļa tirgū esošo mikroelektronisko ierīču ir balstītas uz Si, un turpmākā integrētā InGaAs un Si bāzes attīstība ir vispārējā tendence. InGaAs/Si izpētē izšķiroša nozīme ir tādu problēmu risināšanai kā režģa nesakritība un termiskās izplešanās koeficienta atšķirība; (2) 1550 nm viļņa garuma tehnoloģija ir nobriedusi, un paplašinātais viļņa garums (2,0 ~ 2,5) μm ir nākotnes pētniecības virziens. Palielinoties In komponentiem, režģa nesakritība starp InP substrātu un InGaAs epitaksiālo slāni izraisīs nopietnāku dislokāciju un defektus, tāpēc nepieciešams optimizēt ierīces procesa parametrus, samazināt režģa defektus un samazināt ierīces tumšo strāvu.