Estrutura do fotodetector de Ingaas

Estrutura deFotodetector de Ingaas

Desde a década de 1980, os investigadores na casa e no estranxeiro estudaron a estrutura dos fotodetectores InGaAs, que se dividen principalmente en tres tipos. Son fotodetector de metal-metal-metal INGAAs (MSM-PD), fotodetector de pin Pin (PIN-PD) e fotodetector de avalancha Ingaas (APD-PD). Existen diferenzas significativas no proceso de fabricación e o custo dos fotodetectores de InGaAs con diferentes estruturas, e tamén hai grandes diferenzas no rendemento do dispositivo.

O-metal-metal-metal-metalfotodetector, mostrado na figura (a), é unha estrutura especial baseada na unión de Schottky. En 1992, Shi et al. Utilizou a tecnoloxía de epitaxia de fase de vapor de baixa presión de baixa presión (LP-MovPE) para cultivar capas de epitaxia e preparar o fotodetector MSM INGAAS MSM, que ten unha alta resposta de 0,42 a/ w a unha lonxitude de onda de 1,3 μM e unha corrente escura inferior a 5,6 PA/ μM² a 1,5 V. en 1996, Zhang et al. Epitaxia de feixe molecular en fase gasosa (GSMBE) para cultivar a capa de epitaxia Inalas-Egaas-INP. A capa de Inalas mostrou características de alta resistividade e as condicións de crecemento optimizáronse mediante medición de difracción de raios X, de xeito que o desaxuste de celosía entre as capas de InGaAs e Inalas estaba dentro do rango de 1 × 10⁻³. Isto dá como resultado un rendemento optimizado do dispositivo con corrente escura por baixo de 0,75 pa/μm² a 10 V e unha resposta transitoria rápida ata 16 ps a 5 V. En xeral, o fotodetector de estrutura MSM é sinxelo e fácil de integrar, mostrando unha corrente escura baixa (PA), pero o electrodo metálico reducirá a área de absorción de luz efectiva do dispositivo, polo que a resposta é inferior á outra estrutura.

O fotodetector de pin Pin InGaas insire unha capa intrínseca entre a capa de contacto do tipo P e a capa de contacto tipo N, como se mostra na figura (B), que aumenta o ancho da rexión de esgotamento, irradiando así máis pares de buratos de electróns e formando un fotocorrente maior, polo que ten un excelente rendemento de condución electrónica. En 2007, A.Poloczek et al. Usou MBE para cultivar unha capa tampón de baixa temperatura para mellorar a rugosidade da superficie e superar o desaxuste de celosía entre SI e INP. O MOCVD usouse para integrar a estrutura de pin de InGaas no substrato INP, e a resposta do dispositivo foi de aproximadamente 0,57A /W. En 2011, o Laboratorio de Investigación do Exército (ALR) usou fotodetectores PIN para estudar unha imaxe LiDAR para navegación, evitación de obstáculos/colisións e detección/identificación de obxectivos de curto alcance para pequenos vehículos non tripulados, integrados cun chip de amplificador de microondidos de baixo custo que mellorou significativamente a relación de sinal para noise do sinal para a noise do PIN PIN INGAAs. Sobre esta base, en 2012, ALR usou esta imaxe lidar para robots, cun rango de detección superior a 50 m e unha resolución de 256 × 128.

Os Ingaasfotodetector de avalanchaé unha especie de fotodetector con ganancia, cuxa estrutura móstrase na figura (c). O par de buraco de electróns obtén bastante enerxía baixo a acción do campo eléctrico dentro da rexión de duplicación, para chocar co átomo, xerar novos pares de buraco de electróns, formar un efecto avalancha e multiplicar os portadores de non equilibrio no material. En 2013, George M usou MBE para cultivar enreixado de celosía e aliaxes inalas nun substrato INP, empregando cambios na composición de aliaxe, grosor da capa epitaxial e dopaxe para modular a enerxía portadora para maximizar a ionización electroshock ao tempo que minimiza a ionización do buraco. Na ganancia de sinal de saída equivalente, APD mostra un menor ruído e unha corrente escura inferior. En 2016, Sun Jianfeng et al. construíu un conxunto de plataformas experimentais de imaxe láser de 1570 nm baseadas no fotodetector de AGAAS Avalanche. O circuíto interno deFotodetector APDrecibiu ecos e sae directamente sinais dixitais, facendo que todo o dispositivo sexa compacto. Os resultados experimentais móstranse na fig. (d) e (e). A figura (d) é unha foto física do obxectivo de imaxe, e a figura (E) é unha imaxe de distancia tridimensional. Pódese ver claramente que a área da ventá da área C ten unha certa distancia de profundidade coa área A e B. A plataforma realiza un ancho de pulso inferior a 10 ns, enerxía dun pulso único (1 ~ 3) axustable MJ, recibindo ángulo de campo de lentes de 2 °, frecuencia de repetición de 1 kHz, relación de detector de aproximadamente o 60%. Grazas á ganancia fotocorrente interna de APD, resposta rápida, tamaño compacto, durabilidade e baixo custo, os fotodetectores APD poden ser unha orde de magnitude maior na taxa de detección que os fotodetectores de pin, polo que o lidar actual está dominado principalmente por fotodetectores de avalancha.

En xeral, co rápido desenvolvemento da tecnoloxía de preparación de InGaAs na casa e no estranxeiro, podemos usar habilmente MBE, MOCVD, LPE e outras tecnoloxías para preparar a capa epitaxial InGaA de alta calidade de gran calidade no substrato INP. Os fotodetectores INGAAs presentan unha baixa corrente escura e de alta resposta, a corrente escura máis baixa é inferior a 0,75 PA/μM², a resposta máxima é de ata 0,57 a/W, e ten unha resposta transitoria rápida (orde PS). O futuro desenvolvemento de fotodetectores InGaAs centrarase nos seguintes dous aspectos: (1) A capa epitaxial de Ingaas cultívase directamente no substrato SI. Na actualidade, a maioría dos dispositivos microelectrónicos no mercado están baseados en SI, e o posterior desenvolvemento integrado de InGaAs e SI baseado é a tendencia xeral. Resolver problemas como o desaxuste de celosía e a diferenza de coeficiente de expansión térmica é crucial para o estudo de InGaAs/Si; (2) A tecnoloxía de lonxitude de onda de 1550 nm foi madura e a lonxitude de onda prolongada (2,0 ~ 2,5) μM é a futura dirección de investigación. Co aumento de compoñentes en Ins, o desaxuste de celosía entre o substrato INP e a capa epitaxial de INGAAS levará a unha dislocación e defectos máis graves, polo que é necesario optimizar os parámetros do proceso do dispositivo, reducir os defectos de celosía e reducir a corrente escura do dispositivo.