InGaAs fotodetektora struktūra

StruktūraInGaAs fotodetektors

Kopš 20. gs. astoņdesmitajiem gadiem pētnieki gan mājās, gan ārzemēs ir pētījuši InGaAs fotodetektoru struktūru, kas galvenokārt ir iedalīta 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 izgatavošanas procesā un izmaksās ar dažādām struktūrām, un pastāv arī lielas atšķirības ierīču veiktspējā.

InGaAs metāla-pusvadītāja-metālafotodetektors, kas parādīts (a) attēlā, ir īpaša struktūra, kuras pamatā ir Šotkija pāreja. 1992. gadā Ši un līdzautori izmantoja zemspiediena metālorganiskās tvaika fāzes epitaksijas tehnoloģiju (LP-MOVPE), lai audzētu epitaksijas slāņus un izgatavoja InGaAs MSM fotodetektoru, kam 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 Džans un līdzautori izmantoja gāzes fāzes molekulārā stara epitaksiju (GSMBE), lai audzētu InAlAs-InGaAs-InP epitaksijas slāni. InAlAs slānim bija augstas pretestības raksturlielumi, 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, uzrādot zemu tumšo strāvu (pA kārta), bet metāla elektrods samazinās ierīces efektīvo gaismas absorbcijas laukumu, tāpēc reakcija ir zemāka nekā citām struktūrām.

InGaAs PIN fotodetektors ievieto iekšējo slāni starp P veida kontakta slāni un N veida kontakta slāni, kā parādīts (b) attēlā, kas palielina noplicināšanas apgabala platumu, tādējādi izstarojot vairāk elektronu-caurumu pāru un veidojot lielāku fotostrāvu, tāpēc tam ir lieliska elektronu vadītspēja. 2007. gadā A.Poloczeks un līdzautori 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 jutība bija aptuveni 0,57 A/W. 2011. gadā Armijas pētniecības laboratorija (ALR) izmantoja PIN fotodetektorus, lai pētītu liDAR attēlveidotāju navigācijai, šķēršļu/sadursmju novēršanai un neliela darbības rādiusa mērķu noteikšanai/identifikācijai maziem bezpilota sauszemes transportlīdzekļiem, kas integrēts ar lētu mikroviļņu pastiprinātāja mikroshēmu, kas ievērojami uzlaboja InGaAs PIN fotodetektora signāla un trokšņa attiecību. Pamatojoties uz to, ALR 2012. gadā robotiem izmantoja šo liDAR attēlveidotāju ar noteikšanas diapazonu vairāk nekā 50 m un izšķirtspēju 256 × 128.

InGaAslavīnu fotodetektorsir fotodetektora veids ar pastiprinājumu, kura struktūra ir parādīta (c) attēlā. Elektronu-caurumu pāris elektriskā lauka ietekmē dubultošanās apgabalā iegūst pietiekami daudz enerģijas, lai sadurtos ar atomu, ģenerētu jaunus elektronu-caurumu pārus, veidotu lavīnas efektu un vairotu nevienlīdzīgos nesējus materiālā. 2013. gadā Džordžs M. izmantoja MBE, lai audzētu režģa saskaņotus InGaAs un InAlAs sakausējumus uz InP substrāta, izmantojot sakausējuma sastāva izmaiņas, epitaksiālā slāņa biezumu un dopingu modulētai nesēju enerģijai, lai maksimāli palielinātu elektrošoka jonizāciju, vienlaikus samazinot caurumu jonizāciju. Pie līdzvērtīga izejas signāla pastiprinājuma APD uzrāda zemāku troksni un zemāku tumšo strāvu. 2016. gadā Suns Dzjanfens un līdzautori izveidoja 1570 nm lāzera aktīvās attēlveidošanas eksperimentālās platformas komplektu, kuras pamatā ir InGaAs lavīnas fotodetektors. Iekšējā shēmaAPD fotodetektorsuztver atbalsis un tieši izvada digitālos signālus, padarot visu ierīci kompaktu. Eksperimenta rezultāti ir parādīti (d) un (e) attēlā. (d) attēls ir attēlveidošanas mērķa fiziska fotogrāfija, bet (e) attēls ir trīsdimensiju attāluma attēls. Var skaidri redzēt, ka c apgabala loga laukumam ir noteikts dziļuma attālums ar A un b apgabaliem. Platforma realizē impulsa platumu, kas ir mazāks par 10 ns, regulējamu viena impulsa enerģiju (1 ~ 3) mJ, uztveršanas lēcas lauka leņķi 2°, atkārtošanās frekvenci 1 kHz, detektora darba koeficientu aptuveni 60%. Pateicoties APD iekšējam foto strāvas pastiprinājumam, ātrajai reaģēšanai, kompaktajam izmēram, izturībai un zemajām izmaksām, APD fotodetektoru noteikšanas ātrums var būt par kārtu augstāks nekā PIN fotodetektoriem, tāpēc pašreizējā galvenajā liDAR galvenokārt dominē lavīnu fotodetektori.

Kopumā, pateicoties InGaAs sagatavošanas tehnoloģijas straujajai attīstībai gan mājās, gan ārzemēs, mēs varam prasmīgi izmantot MBE, MOCVD, LPE un citas tehnoloģijas, lai uz InP substrāta izveidotu liela laukuma augstas kvalitātes InGaAs epitaksiālo slāni. 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 pārejas reakcija (ps pakāpe). InGaAs fotodetektoru turpmākā attīstība būs vērsta uz šādiem diviem aspektiem: (1) InGaAs epitaksiālais slānis tiek tieši audzēts uz Si substrāta. Pašlaik lielākā daļa tirgū pieejamo mikroelektronisko ierīču ir balstītas uz Si, un turpmākā integrētā InGaAs un Si bāzes izstrāde ir vispārējā tendence. InGaAs/Si pētījumos ir ļoti svarīgi risināt tādas problēmas kā režģa neatbilstība un termiskās izplešanās koeficienta atšķirība; (2) 1550 nm viļņu garuma tehnoloģija ir nobriedusi, un pagarinātais viļņu garums (2,0 ~ 2,5) μm ir nākotnes pētījumu virziens. Palielinoties In komponentu skaitam, InP substrāta un InGaAs epitaksiālā slāņa režģa neatbilstība novedīs pie nopietnākām dislokācijām un defektiem, tāpēc ir nepieciešams optimizēt ierīces procesa parametrus, samazināt režģa defektus un samazināt ierīces tumšo strāvu.