A estrutura do fotodetector de InGaAs

A estrutura deFotodetector de InGaAs
Desde a década de 1980, os investigadores estiveron estudando a estrutura dos fotodetectores de InGaAs, que se poden resumir en tres tipos principais: metal InGaAs, metal semicondutorfotodetectores(MSM-PD), InGaAsfotodetectores PIN(PIN-PD) e InGaAsfotodetectores de avalanchas(APD-PD). Existen diferenzas significativas no proceso de produción e no custo dos fotodetectores de InGaAs con diferentes estruturas, e tamén hai diferenzas significativas no rendemento do dispositivo.
O diagrama esquemático da estrutura dun fotodetector metálico semicondutor de metal InGaAs móstrase na figura, que é unha estrutura especial baseada na unión Schottky. En 1992, Shi et al. empregaron a tecnoloxía de epitaxia en fase de vapor metal-orgánico a baixa presión (LP-MOVPE) para cultivar capas epitaxiais e preparar fotodetectores MSM de InGaAs. O dispositivo ten unha alta responsividade 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, os investigadores empregaron a epitaxia de feixe molecular en fase gasosa (GSMBE) para cultivar capas epitaxiais de InAlAs-InGaAs-InP, que presentaron características de alta resistividade. As condicións de crecemento optimizáronse mediante medicións de difracción de raios X, o que resultou nunha discrepancia de rede entre as capas de InGaAs e InAlAs dentro do rango de 1 × 10⁻³. Como resultado, optimizouse o rendemento do dispositivo, cunha corrente de escuridade inferior a 0,75 pA/μ m² a 10 V e unha resposta transitoria rápida de 16 ps a 5 V. En xeral, o fotodetector de estrutura MSM ten unha estrutura sinxela e doada de integrar, que presenta unha corrente de escuridade (nivel de pA) máis baixa, pero o eléctrodo metálico reduce a área de absorción de luz efectiva do dispositivo, o que resulta nunha menor responsividade en comparación con outras estruturas.

O fotodetector PIN de InGaAs ten unha capa intrínseca inserida entre a capa de contacto de tipo P e a capa de contacto de tipo N, como se mostra na figura, o que aumenta o ancho da rexión de esgotamento, irradiando así máis pares de buratos de electróns e formando unha fotocorrente maior, mostrando así unha excelente condutividade electrónica. En 2007, os investigadores empregaron MBE para cultivar capas tampón a baixa temperatura, mellorando a rugosidade da superficie e superando a desaxuste da rede entre Si e InP. Integraron estruturas PIN de InGaAs en substratos de InP usando MOCVD, e a resposta do dispositivo foi de aproximadamente 0,57 A/W. En 2011, os investigadores empregaron fotodetectores PIN para desenvolver un dispositivo de imaxe LiDAR de curto alcance para navegación, evitación de obstáculos/colisións e detección/recoñecemento de obxectivos de pequenos vehículos terrestres non tripulados. O dispositivo integrouse cun chip amplificador de microondas de baixo custo, mellorando significativamente a relación sinal-ruído dos fotodetectores PIN de InGaAs. Sobre esta base, en 2012, os investigadores aplicaron este dispositivo de imaxe LiDAR a robots, cun alcance de detección de máis de 50 metros e unha resolución aumentada a 256 × 128.
O fotodetector de avalanchas de InGaAs é un tipo de fotodetector con ganancia, como se mostra no diagrama da estrutura. Os pares de buratos de electróns obteñen enerxía suficiente baixo a acción do campo eléctrico dentro da rexión de duplicación e colisionan cos átomos para xerar novos pares de buratos de electróns, formando un efecto de avalancha e duplicando os portadores de carga fóra do equilibrio no material. En 2013, os investigadores utilizaron MBE para cultivar aliaxes de InGaAs e InAlAs emparelladas en rede en substratos de InP, modulando a enerxía do portador mediante cambios na composición da aliaxe, o grosor da capa epitaxial e o dopaxe, maximizando a ionización por electrochoque e minimizando a ionización de buratos. Baixo unha ganancia de sinal de saída equivalente, o APD presenta baixo ruído e menor corrente de escuridade. En 2016, os investigadores construíron unha plataforma experimental de imaxe activa por láser de 1570 nm baseada en fotodetectores de avalanchas de InGaAs. O circuíto interno doFotodetector APDrecibiu ecos e emitiu directamente sinais dixitais, facendo que todo o dispositivo fose compacto. Os resultados experimentais móstranse nas figuras (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 na Zona C ten unha certa distancia de profundidade das Zonas A e B. Esta plataforma consegue un ancho de pulso inferior a 10 ns, enerxía de pulso único axustable (1-3) mJ, un ángulo de campo de visión de 2° para as lentes transmisora ​​e receptora, unha taxa de repetición de 1 kHz e un ciclo de traballo do detector de aproximadamente o 60 %. Grazas á ganancia interna da fotocorrente, á resposta rápida, ao tamaño compacto, á durabilidade e ao baixo custo do APD, os fotodetectores APD poden alcanzar unha taxa de detección unha orde de magnitude superior á dos fotodetectores PIN. Polo tanto, actualmente o radar láser convencional usa principalmente fotodetectores de avalanchas.