Estructura deFotodetector d'InGaAs
Des de la dècada del 1980, investigadors nacionals i internacionals han estudiat l'estructura dels fotodetectors d'InGaAs, que es divideixen principalment en tres tipus. Són el fotodetector de metall-semiconductor-metall d'InGaAs (MSM-PD), el fotodetector PIN d'InGaAs (PIN-PD) i el fotodetector d'allaus d'InGaAs (APD-PD). Hi ha diferències significatives en el procés de fabricació i el cost dels fotodetectors d'InGaAs amb diferents estructures, i també hi ha grans diferències en el rendiment del dispositiu.
El metall-semiconductor-metall d'InGaAsfotodetector, que es mostra a la figura (a), és una estructura especial basada en la unió Schottky. El 1992, Shi et al. van utilitzar tecnologia d'epitàxia en fase de vapor metall-orgànic a baixa pressió (LP-MOVPE) per fer créixer capes d'epitàxia i van preparar un fotodetector MSM d'InGaAs, que té una alta resposta de 0,42 A/W a una longitud d'ona d'1,3 μm i un corrent de foscor inferior a 5,6 pA/μm² a 1,5 V. El 1996, zhang et al. van utilitzar l'epitàxia de feix molecular en fase gasosa (GSMBE) per fer créixer la capa d'epitàxia d'InAlAs-InGaAs-InP. La capa d'InAlAs va mostrar característiques d'alta resistivitat i les condicions de creixement es van optimitzar mitjançant la mesura de difracció de raigs X, de manera que la discrepància de xarxa entre les capes d'InGaAs i InAlAs estava dins del rang d'1×10⁻³. Això resulta en un rendiment del dispositiu optimitzat amb un corrent de foscor inferior a 0,75 pA/μm² a 10 V i una resposta transitòria ràpida de fins a 16 ps a 5 V. En general, el fotodetector d'estructura MSM és senzill i fàcil d'integrar, mostrant un corrent de foscor baix (ordre pA), però l'elèctrode metàl·lic reduirà l'àrea d'absorció efectiva de llum del dispositiu, de manera que la resposta és inferior a la d'altres estructures.
El fotodetector PIN d'InGaAs insereix una capa intrínseca entre la capa de contacte de tipus P i la capa de contacte de tipus N, com es mostra a la figura (b), cosa que augmenta l'amplada de la regió d'esgotament, irradiant així més parells electró-forat i formant un fotocorrent més gran, de manera que té un excel·lent rendiment de conducció d'electrons. El 2007, A. Poloczek et al. van utilitzar MBE per fer créixer una capa tampó de baixa temperatura per millorar la rugositat superficial i superar la discrepància de la xarxa entre Si i InP. Es va utilitzar MOCVD per integrar l'estructura PIN d'InGaAs al substrat d'InP, i la resposta del dispositiu va ser d'uns 0,57 A/W. El 2011, el Laboratori de Recerca de l'Exèrcit (ALR) va utilitzar fotodetectors PIN per estudiar un lector d'imatges liDAR per a la navegació, l'evitació d'obstacles/col·lisions i la detecció/identificació d'objectius de curt abast per a vehicles terrestres no tripulats petits, integrat amb un xip amplificador de microones de baix cost que va millorar significativament la relació senyal-soroll del fotodetector PIN d'InGaAs. Sobre aquesta base, el 2012, ALR va utilitzar aquest aparell liDAR per a robots, amb un abast de detecció de més de 50 m i una resolució de 256 × 128.
Els InGaAsfotodetector d'allausés un tipus de fotodetector amb guany, l'estructura del qual es mostra a la Figura (c). El parell electró-forat obté prou energia sota l'acció del camp elèctric dins de la regió de duplicació, per tal de xocar amb l'àtom, generar nous parells electró-forat, formar un efecte d'allau i multiplicar els portadors de no equilibri en el material. El 2013, George M va utilitzar MBE per fer créixer aliatges InGaAs i InAlAs coincidents en xarxa sobre un substrat InP, utilitzant canvis en la composició de l'aliatge, el gruix de la capa epitaxial i el dopatge per modular l'energia del portador per maximitzar la ionització per electroxoc i minimitzar la ionització per forats. Amb el guany del senyal de sortida equivalent, l'APD mostra un soroll més baix i un corrent fosc més baix. El 2016, Sun Jianfeng et al. van construir un conjunt de plataformes experimentals d'imatges làser actives de 1570 nm basades en el fotodetector d'allaus InGaAs. El circuit intern defotodetector APDrebia ecos i emetia directament senyals digitals, fent que tot el dispositiu fos compacte. Els resultats experimentals es mostren a les figures (d) i (e). La figura (d) és una foto física de l'objectiu d'imatge i la figura (e) és una imatge de distància tridimensional. Es pot veure clarament que l'àrea de la finestra de l'àrea c té una certa distància de profunditat amb l'àrea A i b. La plataforma aconsegueix una amplada de pols inferior a 10 ns, una energia de pols individual (1 ~ 3) mJ ajustable, un angle de camp de la lent receptora de 2°, una freqüència de repetició d'1 kHz i una relació de treball del detector d'aproximadament el 60%. Gràcies al guany de fotocorrent intern de l'APD, la resposta ràpida, la mida compacta, la durabilitat i el baix cost, els fotodetectors APD poden tenir una taxa de detecció un ordre de magnitud superior a la dels fotodetectors PIN, de manera que el liDAR convencional actual està dominat principalment pels fotodetectors d'allaus.
En general, amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia de preparació d'InGaAs tant a nivell nacional com internacional, podem utilitzar hàbilment MBE, MOCVD, LPE i altres tecnologies per preparar una capa epitaxial d'InGaAs d'alta qualitat i àrea gran sobre un substrat d'InP. Els fotodetectors d'InGaAs presenten un corrent de foscor baix i una alta capacitat de resposta, el corrent de foscor més baix és inferior a 0,75 pA/μm², la capacitat de resposta màxima és de fins a 0,57 A/W i té una resposta transitòria ràpida (ordre ps). El desenvolupament futur dels fotodetectors d'InGaAs se centrarà en els dos aspectes següents: (1) La capa epitaxial d'InGaAs es fa créixer directament sobre un substrat de Si. Actualment, la majoria dels dispositius microelectrònics del mercat estan basats en Si, i el posterior desenvolupament integrat d'InGaAs i basats en Si és la tendència general. Resoldre problemes com la desajust de xarxa i la diferència del coeficient d'expansió tèrmica és crucial per a l'estudi d'InGaAs/Si; (2) La tecnologia de longitud d'ona de 1550 nm ha estat madura i la longitud d'ona estesa (2,0 ~ 2,5) μm és la futura direcció de recerca. Amb l'augment dels components d'In, el desajust de xarxa entre el substrat d'InP i la capa epitaxial d'InGaAs comportarà dislocacions i defectes més greus, per la qual cosa cal optimitzar els paràmetres del procés del dispositiu, reduir els defectes de xarxa i reduir el corrent fosc del dispositiu.
Data de publicació: 06 de maig de 2024