Struktur för InGaAs fotodetektor

Struktur avInGaAs fotodetektor

Sedan 1980-talet har forskare hemma och utomlands studerat strukturen hos InGaAs fotodetektorer, som huvudsakligen är indelade i tre typer. De är InGaAs metall-halvledare-metall-fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetektor (PIN-PD) och InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD). Det finns betydande skillnader i tillverkningsprocessen och kostnaden för InGaAs fotodetektorer med olika strukturer, och det finns också stora skillnader i enhetens prestanda.

InGaAs metall-halvledare-metallfotodetektor, som visas i figur (a), är en speciell struktur baserad på Schottky-korsningen. År 1992, Shi et al. använde lågtrycksmetall-organisk ångfas-epitaxiteknologi (LP-MOVPE) för att odla epitaxiskikt och preparerade InGaAs MSM-fotodetektor, som har en hög känslighet på 0,42 A/W vid en våglängd på 1,3 μm och en mörkström lägre än 5,6 pA/ μm² vid 1,5 V. 1996, zhang et al. använde gasfas molekylär strålepitaxi (GSMBE) för att odla InAlAs-InGaAs-InP epitaxiskiktet. InAlAs-skiktet visade höga resistivitetsegenskaper, och tillväxtförhållandena optimerades genom röntgendiffraktionsmätning, så att gittermissanpassningen mellan InGaAs- och InAlAs-skikten låg inom intervallet 1×10⁻³. Detta resulterar i optimerad enhetsprestanda med mörkström under 0,75 pA/μm² vid 10 V och snabbt transientsvar upp till 16 ps vid 5 V. På det hela taget är MSM-strukturfotodetektorn enkel och lätt att integrera och visar låg mörkström (pA) ordning), men metallelektroden kommer att minska enhetens effektiva ljusabsorptionsarea, så svaret är lägre än andra strukturer.

InGaAs PIN-fotodetektorn infogar ett inneboende skikt mellan kontaktskiktet av P-typ och kontaktskiktet av N-typ, som visas i figur (b), vilket ökar bredden på utarmningsområdet, vilket utstrålar fler elektronhålspar och bildar ett större fotoström, så den har utmärkt elektronledningsprestanda. År 2007, A.Poloczek et al. använde MBE för att odla ett lågtemperaturbuffertlager för att förbättra ytjämnheten och övervinna gittermissanpassningen mellan Si och InP. MOCVD användes för att integrera InGaAs PIN-struktur på InP-substratet, och enhetens lyhördhet var cirka 0,57A/W. Under 2011 använde Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetektorer för att studera en liDAR-avbildare för navigering, undvikande av hinder/kollisioner och kortdistansmåldetektering/identifiering för små obemannade markfordon, integrerad med ett billigt mikrovågsförstärkarchip som avsevärt förbättrade signal-brusförhållandet för InGaAs PIN-fotodetektorn. På grundval av detta, 2012, använde ALR denna liDAR-bildkamera för robotar, med ett detekteringsområde på mer än 50 m och en upplösning på 256 × 128.

InGaAslavinfotodetektorär en sorts fotodetektor med förstärkning, vars struktur visas i figur (c). Elektron-hålsparet får tillräckligt med energi under inverkan av det elektriska fältet inuti dubbleringsområdet, för att kollidera med atomen, generera nya elektron-hålspar, bilda en lavineffekt och multiplicera icke-jämviktsbärarna i materialet . 2013 använde George M MBE för att odla gittermatchade InGaAs- och InAlAs-legeringar på ett InP-substrat, med hjälp av förändringar i legeringssammansättning, epitaxiell skikttjocklek och dopning till modulerad bärarenergi för att maximera elektrochockjonisering samtidigt som håljoniseringen minimeras. Vid motsvarande utsignalförstärkning visar APD lägre brus och lägre mörkström. 2016, Sun Jianfeng et al. byggde en uppsättning av 1570 nm laseraktiv avbildningsexperimentplattform baserad på InGaAs lavinfotodetektor. Den interna kretsen avAPD fotodetektormottagna ekon och direkt mata ut digitala signaler, vilket gör hela enheten kompakt. De experimentella resultaten visas i FIG. (d) och (e). Figur (d) är ett fysiskt foto av avbildningsmålet, och figur (e) är en tredimensionell avståndsbild. Det kan tydligt ses att fönsterarean för område c har ett visst djupavstånd med area A och b. Plattformen realiserar pulsbredd mindre än 10 ns, enkelpulsenergi (1 ~ 3) mJ justerbar, mottagande linsfältsvinkel på 2°, repetitionsfrekvens på 1 kHz, detektordriftsförhållande på cirka 60 %. Tack vare APD:s interna fotoströmförstärkning, snabba respons, kompakta storlek, hållbarhet och låg kostnad, kan APD-fotodetektorer ha en storleksordning högre i detekteringshastighet än PIN-fotodetektorer, så den nuvarande mainstream-liDAR domineras huvudsakligen av lavinfotodetektorer.

Sammantaget, med den snabba utvecklingen av InGaAs-preparationsteknik hemma och utomlands, kan vi skickligt använda MBE, MOCVD, LPE och andra teknologier för att förbereda ett stort område av högkvalitativt InGaAs epitaxiallager på InP-substrat. InGaAs-fotodetektorer uppvisar låg mörkström och hög känslighet, den lägsta mörkströmmen är lägre än 0,75 pA/μm², den maximala känsligheten är upp till 0,57 A/W och har ett snabbt transientsvar (ps-ordning). Den framtida utvecklingen av InGaAs fotodetektorer kommer att fokusera på följande två aspekter: (1) InGaAs epitaxiallager odlas direkt på Si-substrat. För närvarande är de flesta av de mikroelektroniska enheterna på marknaden Si-baserade, och den efterföljande integrerade utvecklingen av InGaAs och Si-baserade är den allmänna trenden. Att lösa problem som gallermissanpassning och skillnad i termisk expansionskoefficient är avgörande för studiet av InGaAs/Si; (2) 1550 nm våglängdstekniken har varit mogen, och den utökade våglängden (2,0 ~ 2,5) μm är den framtida forskningsriktningen. Med ökningen av In-komponenter kommer gittermissanpassningen mellan InP-substrat och InGaAs epitaxiallager att leda till allvarligare dislokation och defekter, så det är nödvändigt att optimera enhetens processparametrar, minska gitterdefekterna och minska enhetens mörkström.