Estructura del fotodetector InGaAs

Estructura deFotodetector InGaAs

Des de la dècada de 1980, investigadors nacionals i estrangers han estudiat l'estructura dels fotodetectors InGaAs, que es divideixen principalment en tres tipus. Són el fotodetector InGaAs metall-semiconductor-metall (MSM-PD), el fotodetector PIN InGaAs (PIN-PD) i el fotodetector InGaAs Avalanche (APD-PD). Hi ha diferències significatives en el procés de fabricació i el cost dels fotodetectors InGaAs amb diferents estructures, i també hi ha grans diferències en el rendiment del dispositiu.

L'InGaAs metall-semiconductor-metallfotodetector, que es mostra a la figura (a), és una estructura especial basada en la unió de Schottky. El 1992, Shi et al. va utilitzar la tecnologia d'epitaxi en fase de vapor orgànica-metall de baixa pressió (LP-MOVPE) per fer créixer capes d'epitaxi i va preparar un fotodetector InGaAs MSM, que té una alta capacitat de resposta de 0,42 A/W a una longitud d'ona d'1,3 μm i un corrent fosc inferior a 5,6 pA/ μm² a 1,5 V. El 1996, Zhang et al. va utilitzar l'epitaxia de feix molecular en fase gasosa (GSMBE) per fer créixer la capa d'epitaxi InAlAs-InGaAs-InP. La capa d'InAlAs mostrava característiques d'alta resistivitat i les condicions de creixement es van optimitzar mitjançant la mesura de la difracció de raigs X, de manera que el desajust de la gelosia entre les capes d'InGaAs i d'InAlAs estava dins del rang d'1 × 10⁻³. Això resulta en un rendiment optimitzat del dispositiu amb un corrent fosc per sota de 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 fosc baix (pA). ordre), però l'elèctrode metàl·lic reduirà l'àrea d'absorció de llum efectiva del dispositiu, de manera que la resposta és inferior a la d'altres estructures.

El fotodetector PIN InGaAs insereix una capa intrínseca entre la capa de contacte de tipus P i la capa de contacte de tipus N, tal com es mostra a la figura (b), que augmenta l'amplada de la regió d'esgotament, radiant així més parells d'electrons-forat i formant un fotocorrent més gran, de manera que té un excel·lent rendiment de conducció d'electrons. L'any 2007, A.Poloczek et al. va utilitzar MBE per fer créixer una capa de tampó a baixa temperatura per millorar la rugositat de la superfície i superar el desajust de la gelosia entre Si i InP. MOCVD es va utilitzar per integrar l'estructura PIN InGaAs al substrat InP i la capacitat de resposta del dispositiu va ser d'uns 0,57 A / W. El 2011, el Laboratori d'Investigació de l'Exèrcit (ALR) va utilitzar fotodetectors PIN per estudiar una imatge liDAR per a la navegació, evitar obstacles/col·lisions i detecció/identificació d'objectius a curt abast per a petits vehicles terrestres no tripulats, integrats amb un xip amplificador de microones de baix cost que va millorar significativament la relació senyal-soroll del fotodetector PIN InGaAs. Sobre aquesta base, l'any 2012, ALR va utilitzar aquesta imatge liDAR per a robots, amb un rang de detecció de més de 50 m i una resolució de 256 × 128.

Els InGaAsfotodetector d'allausés una mena 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 d'electró-forat, formar un efecte d'allau i multiplicar els portadors no equilibrats del material. . El 2013, George M va utilitzar MBE per fer créixer aliatges InGaAs i InAlAs coincidents en gelosia en un substrat InP, utilitzant canvis en la composició de l'aliatge, el gruix de la capa epitaxial i el dopatge a l'energia portadora modulada per maximitzar la ionització d'electroxocs alhora que minimitza la ionització del forat. Al guany del senyal de sortida equivalent, APD mostra un soroll més baix i un corrent fosc més baix. El 2016, Sun Jianfeng et al. va construir un conjunt de plataforma experimental d'imatge activa làser de 1570 nm basada en el fotodetector d'allaus InGaAs. El circuit intern deFotodetector APDrep ecos i emeten directament senyals digitals, fent que tot el dispositiu sigui compacte. Els resultats experimentals es mostren a la FIG. (d) i (e). La figura (d) és una foto física de l'objectiu de la 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 realitza una amplada de pols inferior a 10 ns, una energia de pols únic (1 ~ 3) mJ ajustable, un angle de camp de la lent receptor de 2 °, una freqüència de repetició d'1 kHz, una relació de treball del detector d'uns 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 ser un ordre de magnitud superior a la taxa de detecció que els fotodetectors PIN, de manera que el liDAR principal actual està dominat principalment pels fotodetectors d'allaus.

En general, amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia de preparació d'InGaAs a casa i a l'estranger, podem utilitzar hàbilment MBE, MOCVD, LPE i altres tecnologies per preparar una capa epitaxial d'InGaAs d'alta qualitat sobre un substrat InP. Els fotodetectors InGaAs presenten un corrent fosc baix i una gran capacitat de resposta, el corrent fosc més baix és inferior a 0,75 pA/μm², la resposta màxima és de fins a 0,57 A/W i té una resposta transitòria ràpida (ordre ps). El desenvolupament futur dels fotodetectors InGaAs se centrarà en els dos aspectes següents: (1) La capa epitaxial d'InGaAs es cultiva directament sobre substrat de Si. Actualment, la majoria dels dispositius microelectrònics del mercat estan basats en Si, i el desenvolupament integrat posterior d'InGaAs i basat en Si és la tendència general. La resolució de problemes com ara el desajust de la gelosia 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 direcció de recerca futura. Amb l'augment dels components In, el desajust de la gelosia entre el substrat InP i la capa epitaxial d'InGaAs provocarà dislocacions i defectes més greus, per la qual cosa és necessari optimitzar els paràmetres del procés del dispositiu, reduir els defectes de la gelosia i reduir el corrent fosc del dispositiu.