Структура наInGaAs фотодетектор
От 80-те години на миналия век, изследователи в страната и чужбина изучават структурата на InGaAs фотодетекторите, които се разделят основно на три типа. Това са InGaAs метал-полупроводник-метал фотодетектор (MSM-PD), InGaAs PIN фотодетектор (PIN-PD) и InGaAs лавинов фотодетектор (APD-PD). Съществуват значителни разлики в производствения процес и цената на InGaAs фотодетекторите с различни структури, както и големи разлики в производителността на устройството.
InGaAs метал-полупроводник-металфотодетектор, показана на Фигура (а), е специална структура, базирана на Шотки прехода. През 1992 г. Ши и др. използват технология за нисконапорна металоорганична парофазна епитаксия (LP-MOVPE), за да отгледат епитаксиални слоеве и подготвят InGaAs MSM фотодетектор, който има висока чувствителност от 0,42 A/W при дължина на вълната 1,3 μm и тъмен ток по-нисък от 5,6 pA/μm² при 1,5 V. През 1996 г. Джанг и др. използват газофазна молекулярно-лъчева епитаксия (GSMBE), за да отгледат епитаксиалния слой InAlAs-InGaAs-InP. Слоят InAlAs показва високи характеристики на съпротивление, а условията на растеж са оптимизирани чрез рентгеново дифракционно измерване, така че несъответствието на решетката между слоевете InGaAs и InAlAs е в диапазона от 1×10⁻³. Това води до оптимизирана производителност на устройството с тъмен ток под 0,75 pA/μm² при 10 V и бърз преходен отклик до 16 ps при 5 V. Като цяло, фотодетекторът с MSM структура е прост и лесен за интегриране, показвайки нисък тъмен ток (от порядъка на pA), но металният електрод ще намали ефективната площ на поглъщане на светлина от устройството, така че откликът е по-нисък от други структури.
InGaAs PIN фотодетекторът вмъква вътрешен слой между P-тип контактния слой и N-тип контактния слой, както е показано на Фигура (b), което увеличава ширината на областта на изчерпване, като по този начин излъчва повече електрон-дупкови двойки и образува по-голям фототок, така че има отлични характеристики на електронна проводимост. През 2007 г. A.Polozek et al. използваха MBE, за да отгледат нискотемпературен буферен слой, за да подобрят грапавостта на повърхността и да преодолеят несъответствието в решетката между Si и InP. MOCVD беше използван за интегриране на InGaAs PIN структурата върху InP субстрата, а чувствителността на устройството беше около 0,57 A/W. През 2011 г. Армейската изследователска лаборатория (ALR) използва PIN фотодетектори, за да изследва liDAR образно устройство за навигация, избягване на препятствия/сблъсък и откриване/идентификация на цели на къси разстояния за малки безпилотни наземни превозни средства, интегрирано с евтин микровълнов усилвателен чип, който значително подобри съотношението сигнал/шум на InGaAs PIN фотодетектора. На тази основа, през 2012 г. ALR използва този лидарен образен уред за роботи, с обхват на откриване над 50 м и резолюция 256 × 128.
InGaAsлавинов фотодетекторе вид фотодетектор с усилване, чиято структура е показана на Фигура (c). Електронно-дупковата двойка получава достатъчно енергия под действието на електрическото поле вътре в областта на удвояване, за да се сблъска с атома, да генерира нови електрон-дупкови двойки, да образува лавинов ефект и да умножи неравновесните носители в материала. През 2013 г. Джордж М. използва MBE, за да отгледа решетъчно съвпадащи сплави InGaAs и InAlAs върху InP субстрат, използвайки промени в състава на сплавта, дебелината на епитаксиалния слой и легиране, за да модулира енергията на носителите, за да увеличи максимално електрошоковата йонизация, като същевременно минимизира йонизацията на дупките. При еквивалентно усилване на изходния сигнал, APD показва по-нисък шум и по-нисък тъмен ток. През 2016 г. Сун Джианфенг и др. изградиха набор от експериментални платформи за активно лазерно изобразяване с дължина на вълната 1570 nm, базирани на лавиновия фотодетектор InGaAs. Вътрешната схема на...APD фотодетекторприема ехо и директно извежда цифрови сигнали, което прави цялото устройство компактно. Експерименталните резултати са показани на Фиг. (d) и (e). Фигура (d) е физическа снимка на целта за изобразяване, а Фигура (e) е триизмерно изображение на разстояние. Ясно се вижда, че площта на прозореца на област c има определено разстояние по дълбочина с области A и b. Платформата реализира ширина на импулса по-малка от 10 ns, енергия на единичния импулс (1 ~ 3) mJ регулируема, ъгъл на полето на приемащата леща 2°, честота на повторение 1 kHz, коефициент на запълване на детектора около 60%. Благодарение на вътрешното усилване на фототока на APD, бързата реакция, компактния размер, издръжливостта и ниската цена, APD фотодетекторите могат да бъдат с порядък по-високи по отношение на скоростта на откриване от PIN фотодетекторите, така че настоящият масов liDAR е доминиран главно от лавинни фотодетектори.
Като цяло, с бързото развитие на технологията за получаване на InGaAs в страната и чужбина, можем умело да използваме MBE, MOCVD, LPE и други технологии за получаване на висококачествен InGaAs епитаксиален слой с голяма площ върху InP субстрат. InGaAs фотодетекторите показват нисък тъмен ток и висока чувствителност, като най-ниският тъмен ток е по-нисък от 0,75 pA/μm², максималната чувствителност е до 0,57 A/W и имат бърз преходен отговор (ps-порядък). Бъдещото развитие на InGaAs фотодетекторите ще се фокусира върху следните два аспекта: (1) Епитаксиалният слой InGaAs се отглежда директно върху Si субстрат. В момента повечето микроелектронни устройства на пазара са базирани на Si и последващото интегрирано развитие на InGaAs и Si е общата тенденция. Решаването на проблеми като несъответствие на решетката и разлика в коефициента на термично разширение е от решаващо значение за изучаването на InGaAs/Si; (2) Технологията с дължина на вълната 1550 nm е зряла и разширената дължина на вълната (2,0 ~ 2,5) μm е бъдещата посока на изследване. С увеличаването на In компонентите, несъответствието в решетката между InP субстрата и InGaAs епитаксиалния слой ще доведе до по-сериозни дислокации и дефекти, така че е необходимо да се оптимизират параметрите на процеса на устройството, да се намалят дефектите в решетката и да се намали тъмният ток на устройството.
Време на публикуване: 06 май 2024 г.