InGaAs fotodetektora struktūra

StruktūraInGaAs fotodetektors
Kopš 20. gs. astoņdesmitajiem gadiem pētnieki ir pētījuši InGaAs fotodetektoru struktūru, ko var apkopot trīs galvenajos veidos: InGaAs metāls pusvadītājs metālsfotodetektori(MSM-PD), InGaAsPIN fotodetektori(PIN-PD) un InGaAslavīnu fotodetektori(APD-PD). Pastāv būtiskas atšķirības InGaAs fotodetektoru ražošanas procesā un izmaksās ar dažādām struktūrām, un pastāv arī būtiskas atšķirības ierīču veiktspējā.
Attēlā parādīta InGaAs metāla pusvadītāju metāla fotodetektora struktūras shematiska diagramma, kas ir īpaša struktūra, kuras pamatā ir Šotkija savienojums. 1992. gadā Ši un līdzautori izmantoja zemspiediena metālorganiskās tvaika fāzes epitaksijas (LP-MOVPE) tehnoloģiju, lai audzētu epitaksiālos slāņus un sagatavotu InGaAs MSM fotodetektorus. Ierīcei ir augsta jutība - 0,42 A/W pie viļņa garuma 1,3 μm un tumšā strāva - mazāka par 5,6 pA/μm² pie 1,5 V. 1996. gadā pētnieki izmantoja gāzes fāzes molekulārā stara epitaksiju (GSMBE), lai audzētu InAlAs InGaAs InP epitaksiālos slāņus, kuriem bija augstas pretestības īpašības. Augšanas apstākļi tika optimizēti, izmantojot rentgenstaru difrakcijas mērījumus, kā rezultātā InGaAs un InAlAs slāņu režģa neatbilstība bija 1 × 10⁻³ diapazonā. Rezultātā ierīces veiktspēja tika optimizēta, nodrošinot tumšās strāvas stiprumu mazāku par 0,75 pA/μm² pie 10 V un ātru pārejas reakciju 16 ps pie 5 V. Kopumā MSM struktūras fotodetektoram ir vienkārša un viegli integrējama struktūra, kas uzrāda zemāku tumšās strāvas stiprumu (pA līmeni), bet metāla elektrods samazina ierīces efektīvo gaismas absorbcijas laukumu, kā rezultātā rodas zemāka jutība salīdzinājumā ar citām struktūrām.

InGaAs PIN fotodetektoram ir iekšējais slānis, kas ievietots starp P veida kontakta slāni un N veida kontakta slāni, kā parādīts attēlā, kas palielina noplicināšanas apgabala platumu, tādējādi izstarojot vairāk elektronu caurumu pāru un veidojot lielāku fotostrāvu, tādejādi uzrādot izcilu elektronisko vadītspēju. 2007. gadā pētnieki izmantoja MBE, lai audzētu zemas temperatūras buferslāņus, uzlabojot virsmas raupjumu un pārvarot režģa neatbilstību starp Si un InP. Viņi integrēja InGaAs PIN struktūras uz InP substrātiem, izmantojot MOCVD, un ierīces jutība bija aptuveni 0,57 A/W. 2011. gadā pētnieki izmantoja PIN fotodetektorus, lai izstrādātu īsa darbības rādiusa LiDAR attēlveidošanas ierīci navigācijai, šķēršļu/sadursmju novēršanai un mērķu noteikšanai/atpazīšanai mazos bezpilota sauszemes transportlīdzekļos. Ierīce tika integrēta ar lētu mikroviļņu pastiprinātāja mikroshēmu, ievērojami uzlabojot InGaAs PIN fotodetektoru signāla un trokšņa attiecību. Pamatojoties uz to, 2012. gadā pētnieki pielietoja šo LiDAR attēlveidošanas ierīci robotiem, ar noteikšanas diapazonu virs 50 metriem un izšķirtspēju, kas palielināta līdz 256 × 128.
InGaAs lavīnu fotodetektors ir fotodetektora veids ar pastiprinājumu, kā parādīts struktūras diagrammā. Elektronu caurumu pāri elektriskā lauka ietekmē dubultošanās apgabalā iegūst pietiekamu enerģiju un saduras ar atomiem, lai radītu jaunus elektronu caurumu pārus, veidojot lavīnas efektu un dubultojot nevienmērīgos lādiņnesējus materiālā. 2013. gadā pētnieki izmantoja MBE, lai audzētu režģa saskaņotus InGaAs un InAlAs sakausējumus uz InP substrātiem, modulējot nesēju enerģiju, mainot sakausējuma sastāvu, epitaksiālā slāņa biezumu un dopingu, maksimāli palielinot elektrošoka jonizāciju, vienlaikus samazinot caurumu jonizāciju. Ar līdzvērtīgu izejas signāla pastiprinājumu APD uzrāda zemu trokšņu līmeni un zemāku tumšo strāvu. 2016. gadā pētnieki konstruēja 1570 nm lāzera aktīvās attēlveidošanas eksperimentālo platformu, kuras pamatā ir InGaAs lavīnu fotodetektori. Iekšējā shēmaAPD fotodetektorsuztver atbalsis un tieši izvada digitālos signālus, padarot visu ierīci kompaktu. Eksperimenta rezultāti ir parādīti (d) un (e) attēlos. (d) attēls ir attēlveidošanas mērķa fiziska fotogrāfija, bet (e) attēls ir trīsdimensiju attāluma attēls. Var skaidri redzēt, ka loga laukumam C zonā ir noteikts dziļuma attālums no A un B zonas. Šī platforma sasniedz impulsa platumu, kas ir mazāks par 10 ns, regulējamu viena impulsa enerģiju (1–3) mJ, 2° lauka skata leņķi raidošajai un uztverošajai lēcai, atkārtošanās frekvenci 1 kHz un detektora darba ciklu aptuveni 60%. Pateicoties iekšējam fotostrāvas pastiprinājumam, ātrajai reaģēšanai, kompaktajam izmēram, izturībai un APD zemajām izmaksām, APD fotodetektori var sasniegt noteikšanas ātrumu, kas ir par vienu lieluma kārtu augstāks nekā PIN fotodetektori. Tāpēc pašlaik galvenajos lāzerradaros galvenokārt tiek izmantoti lavīnu fotodetektori.