Struktur avInGaAs fotodetektor
Sedan 1980-talet har forskare både hemma och utomlands studerat strukturen hos InGaAs-fotodetektorer, vilka huvudsakligen delas in i tre typer. De är InGaAs metall-halvledare-metall-fotodetektor (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetektor (PIN-PD) och InGaAs lavinfotodetektor (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-metallen-halvledare-metallenfotodetektor, som visas i figur (a), är en speciell struktur baserad på Schottky-övergången. År 1992 använde Shi et al. lågtrycksteknik för metallorganisk ångfasepitaxi (LP-MOVPE) för att odla epitaxilager och framställde InGaAs MSM-fotodetektor, som har en hög responsivitet på 0,42 A/W vid en våglängd på 1,3 μm och en mörkerström lägre än 5,6 pA/μm² vid 1,5 V. År 1996 använde zhang et al. gasfasmolekylärstråleepitaxi (GSMBE) för att odla InAlAs-InGaAs-InP-epitaxilagret. InAlAs-lagret uppvisade höga resistivitetsegenskaper, och tillväxtförhållandena optimerades genom röntgendiffraktionsmätning, så att gittermissmatchningen mellan InGaAs- och InAlAs-lagren 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. Sammantaget är MSM-strukturens fotodetektor 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 intrinsiskt lager mellan P-typkontaktlagret och N-typkontaktlagret, som visas i figur (b), vilket ökar bredden på utarmningsområdet, vilket utstrålar fler elektron-hålpar och bildar en större fotoström, så den har utmärkt elektronledningsprestanda. År 2007 använde A.Poloczek et al. MBE för att odla ett lågtemperaturbuffertlager för att förbättra ytjämnheten och övervinna gittermissmatchningen mellan Si och InP. MOCVD användes för att integrera InGaAs PIN-struktur på InP-substratet, och enhetens respons var cirka 0,57 A/W. År 2011 använde Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetektorer för att studera en liDAR-avbildare för navigering, undvikande av hinder/kollisioner och detektering/identifiering av kortdistansmål för små obemannade markfordon, integrerad med ett billigt mikrovågsförstärkarchip som avsevärt förbättrade signal-brusförhållandet för InGaAs PIN-fotodetektorn. På grundval av detta använde ALR år 2012 denna liDAR-avbildare för robotar, med ett detekteringsområde på mer än 50 m och en upplösning på 256 × 128.
InGaAslavinfotodetektorär en typ av fotodetektor med förstärkning, vars struktur visas i figur (c). Elektron-hål-paret får tillräckligt med energi under inverkan av det elektriska fältet inuti fördubblingsområdet för att kollidera med atomen, generera nya elektron-hål-par, bilda en lavineffekt och multiplicera icke-jämviktsbärarna i materialet. År 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 håljonisering minimeras. Vid ekvivalent utsignalförstärkning visar APD lägre brus och lägre mörkström. År 2016 byggde Sun Jianfeng et al. en uppsättning 1570 nm laseraktiv avbildningsexperimentplattform baserad på InGaAs-lavinfotodetektorn. Den interna kretsen förAPD-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 fönsterområdet för område c har ett visst djupavstånd från område A och b. Plattformen uppnår en pulsbredd på mindre än 10 ns, justerbar enkelpulsenergi (1 ~ 3) mJ, mottagarlinsens fältvinkel på 2°, repetitionsfrekvens på 1 kHz, detektorns arbetsförhållande på cirka 60 %. Tack vare APD:s interna fotoströmsförstärkning, snabba respons, kompakta storlek, hållbarhet och låga kostnad kan APD-fotodetektorer ha en storleksordning högre detekteringshastighet än PIN-fotodetektorer, så den nuvarande mainstream-liDAR domineras huvudsakligen av lavinfotodetektorer.
Sammantaget, med den snabba utvecklingen av InGaAs-beredningteknik hemma och utomlands, kan vi skickligt använda MBE, MOCVD, LPE och andra tekniker för att framställa ett epitaxiellt InGaAs-lager med stor yta och hög kvalitet på InP-substrat. InGaAs-fotodetektorer uppvisar låg mörkerström och hög respons, den lägsta mörkerströmmen är lägre än 0,75 pA/μm², den maximala responsen 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 epitaxiellt lager odlas direkt på Si-substrat. För närvarande är de flesta mikroelektroniska enheter på marknaden Si-baserade, och den efterföljande integrerade utvecklingen av InGaAs och Si-baserade är den allmänna trenden. Att lösa problem som gittermatchning och skillnad i termisk expansionskoefficient är avgörande för studiet av InGaAs/Si; (2) Tekniken med våglängden 1550 nm har mognat, och den förlängda våglängden (2,0 ~ 2,5) μm är den framtida forskningsriktningen. Med ökningen av In-komponenter kommer gittermissmatchningen mellan InP-substratet och det epitaxiella lagret av InGaAs att leda till allvarligare dislokationer och defekter, så det är nödvändigt att optimera enhetens processparametrar, minska gitterdefekterna och minska enhetens mörkerström.
Publiceringstid: 6 maj 2024