Estrutura do fotodetector InGaAs

Estrutura deFotodetector InGaAs

Desde a década de 1980, investigadores nacionais e estranxeiros estudaron a estrutura dos fotodetectores InGaAs, que se dividen principalmente en tres tipos. Son o fotodetector de metal-semicondutor-metal InGaAs (MSM-PD), o fotodetector PIN InGaAs (PIN-PD) e o fotodetector de avalancha InGaAs (APD-PD). Hai diferenzas significativas no proceso de fabricación e no custo dos fotodetectores InGaAs con diferentes estruturas, e tamén hai grandes diferenzas no rendemento do dispositivo.

O InGaAs metal-semicondutor-metalfotodetector, que se mostra na Figura (a), é unha estrutura especial baseada na unión de Schottky. En 1992, Shi et al. utilizou a tecnoloxía de epitaxia en fase de vapor orgánico-metal de baixa presión (LP-MOVPE) para facer crecer capas de epitaxia e preparou un fotodetector MSM InGaAs, que ten unha alta capacidade de 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. utilizou a epitaxia de feixe molecular en fase gaseosa (GSMBE) para facer crecer a capa de epitaxia InAlAs-InGaAs-InP. A capa de InAlAs mostrou características de alta resistividade, e as condicións de crecemento optimizáronse mediante a medición da difracción de raios X, de xeito que o desaxuste entre as capas de InGaAs e InAlAs estaba dentro do intervalo de 1×10⁻³. Isto dá como resultado un rendemento optimizado do dispositivo cunha corrente escura inferior a 0,75 pA/μm² a 10 V e unha resposta transitoria rápida de 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). orden), pero o electrodo metálico reducirá a área efectiva de absorción de luz do dispositivo, polo que a resposta é menor que outras estruturas.

O fotodetector PIN InGaAs insire unha capa intrínseca entre a capa de contacto de tipo P e a capa de contacto de tipo N, como se mostra na Figura (b), o que aumenta o ancho da rexión de esgotamento, irradiando así máis pares de electróns e buratos e formando un fotocorrente maior, polo que ten un excelente rendemento de condución electrónica. En 2007, A.Poloczek et al. utilizou MBE para facer crecer unha capa tampón a baixa temperatura para mellorar a rugosidade da superficie e superar o desaxuste da rede entre Si e InP. Utilizouse MOCVD para integrar a estrutura PIN InGaAs no substrato InP e a capacidade de resposta do dispositivo foi de aproximadamente 0,57 A / W. En 2011, o Laboratorio de Investigación do Exército (ALR) utilizou fotodetectores PIN para estudar unha imaxe liDAR para navegación, evitar obstáculos/colisións e detección/identificación de obxectivos de curto alcance para pequenos vehículos terrestres non tripulados, integrados cun chip amplificador de microondas de baixo custo que mellorou significativamente a relación sinal-ruído do fotodetector PIN InGaAs. Sobre esta base, en 2012, ALR utilizou esta imaxe liDAR para robots, cun rango de detección de máis de 50 m e unha resolución de 256 × 128.

O InGaAsfotodetector de avalanchasé unha especie de fotodetector con ganancia, cuxa estrutura se mostra na figura (c). O par electrón-burato obtén enerxía suficiente baixo a acción do campo eléctrico dentro da rexión de duplicación, para chocar co átomo, xerar novos pares electrón-burato, formar un efecto de avalancha e multiplicar os portadores de non equilibrio no material. . En 2013, George M utilizou MBE para cultivar aliaxes InGaAs e InAlAs combinadas en celosía nun substrato de InP, utilizando cambios na composición da aliaxe, o grosor da capa epitaxial e dopando a enerxía do portador modulado para maximizar a ionización por electrochoque e minimizar a ionización do burato. A ganancia de sinal de saída equivalente, APD mostra un ruído máis baixo e unha corrente escura máis baixa. En 2016, Sun Jianfeng et al. construíu un conxunto de plataforma experimental de imaxe activa con láser de 1570 nm baseada no fotodetector de avalanchas InGaAs. O circuíto interno deFotodetector APDrecibiu ecos e emiten 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 fiestra 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 de pulso único (1 ~ 3) mJ axustable, ángulo de campo da lente de recepción de 2 °, frecuencia de repetición de 1 kHz, relación de traballo do detector de aproximadamente 60%. Grazas á ganancia de fotocorriente interna de APD, á resposta rápida, ao tamaño compacto, á durabilidade e ao baixo custo, os fotodetectores APD poden ser unha orde de magnitude máis alta na taxa de detección que os fotodetectores PIN, polo que o liDAR principal actual está dominado principalmente polos fotodetectores de avalancha.

En xeral, co rápido desenvolvemento da tecnoloxía de preparación de InGaAs no país e no estranxeiro, podemos usar con habilidade MBE, MOCVD, LPE e outras tecnoloxías para preparar a capa epitaxial de InGaAs de alta calidade sobre un substrato InP. Os fotodetectores InGaAs presentan baixa corrente escura e alta capacidade de resposta, a corrente escura máis baixa é inferior a 0,75 pA/μm², a máxima resposta é de ata 0,57 A/W e ten unha resposta transitoria rápida (orde ps). O desenvolvemento futuro dos fotodetectores InGaAs centrarase nos seguintes dous aspectos: (1) A capa epitaxial de InGaAs crece directamente sobre o substrato de Si. Na actualidade, a maioría dos dispositivos microelectrónicos do mercado están baseados en Si, e o posterior desenvolvemento integrado de InGaAs e baseados en Si é a tendencia xeral. Resolver problemas como o desaxuste da rede e a diferenza do 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 estendida (2,0 ~ 2,5) μm é a dirección da investigación futura. Co aumento dos compoñentes In, o desaxuste da rede entre o substrato de InP e a capa epitaxial de InGaAs levará a dislocacións e defectos máis graves, polo que é necesario optimizar os parámetros do proceso do dispositivo, reducir os defectos da rede e reducir a corrente escura do dispositivo.