Estrutura do fotodetector de InGaAs

Estrutura deFotodetector de InGaAs

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

O metal-semicondutor-metal de InGaAsfotodetector, mostrada na Figura (a), é unha estrutura especial baseada na unión Schottky. En 1992, Shi et al. empregaron tecnoloxía de epitaxia en fase de vapor metal-orgánica a baixa presión (LP-MOVPE) para cultivar capas de epitaxia e prepararon un fotodetector MSM de 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 de escuridade inferior a 5,6 pA/μm² a 1,5 V. En 1996, Zhang et al. empregaron epitaxia de feixe molecular en fase gasosa (GSMBE) para cultivar a capa de epitaxia de InAlAs-InGaAs-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 a discrepancia de rede entre as capas de InGaAs e InAlAs estaba dentro do rango de 1×10⁻³. Isto resulta nun rendemento optimizado do dispositivo cunha corrente de escuridade 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 doado de integrar, mostrando unha baixa corrente de escuridade (orde pA), pero o eléctrodo metálico reducirá a área de absorción efectiva de luz do dispositivo, polo que a resposta é menor que a doutras estruturas.

O fotodetector PIN de 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 electrón-burato e formando unha fotocorrente maior, polo que ten un excelente rendemento de condución de electróns. En 2007, A. Poloczek et al. empregaron MBE para cultivar unha capa tampón a baixa temperatura para mellorar a rugosidade da superficie e superar a desaxuste da rede entre Si e InP. Utilizouse MOCVD para integrar a estrutura PIN de InGaAs no substrato de InP, e a capacidade de resposta do dispositivo foi duns 0,57 A/W. En 2011, o Laboratorio de Investigación do Exército (ALR) empregou fotodetectores PIN para estudar un lector de imaxes liDAR para navegación, evitación de obstáculos/colisións e detección/identificación de obxectivos de curto alcance para pequenos vehículos terrestres non tripulados, integrado cun chip amplificador de microondas de baixo custo que mellorou significativamente a relación sinal-ruído do fotodetector PIN de InGaAs. Sobre esta base, en 2012, ALR empregou este lector de imaxes liDAR para robots, cun alcance de detección de máis de 50 m e unha resolución de 256 × 128.

Os InGaAsfotodetector de avalanchasé un tipo de fotodetector con ganancia, cuxa estrutura se mostra na Figura (c). O par electrón-burato obtén suficiente enerxía 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 de InGaAs e InAlAs emparelladas en rede nun substrato de InP, utilizando cambios na composición da aliaxe, o grosor da capa epitaxial e o dopaxe para modular a enerxía do portador e maximizar a ionización por electrochoque e minimizar a ionización por buratos. Coa ganancia do sinal de saída equivalente, a APD mostra un menor ruído e unha menor corrente escura. En 2016, Sun Jianfeng et al. construíron un conxunto de plataformas experimentais de imaxe activa por láser de 1570 nm baseadas no fotodetector de avalancha de InGaAs. O circuíto interno deFotodetector APDrecibiu ecos e emitiu directamente sinais dixitais, facendo que todo o dispositivo sexa compacto. Os resultados experimentais móstranse na figura (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 xanela 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 receptora de 2°, frecuencia de repetición de 1 kHz, relación de traballo do detector de aproximadamente o 60 %. Grazas á ganancia de fotocorrente interna do APD, á resposta rápida, ao tamaño compacto, á durabilidade e ao baixo custo, os fotodetectores APD poden ter unha orde de magnitude maior en taxa de detección que os fotodetectores PIN, polo que o liDAR convencional actual está dominado principalmente por fotodetectores de avalanchas.

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