Структура на фотодетектор InGaAs

Структура наInGaAs фотодетектор

От 80-те години на миналия век изследователи в страната и чужбина са изучавали структурата на фотодетекторите InGaAs, които са разделени основно на три типа. Те са InGaAs метал-полупроводников метален фотодетектор (MSM-PD), InGaAs PIN фотодетектор (PIN-PD) и InGaAs лавинен фотодетектор (APD-PD). Съществуват значителни разлики в производствения процес и цената на InGaAs фотодетектори с различни структури, както и големи разлики в производителността на устройството.

InGaAs метал-полупроводник-металфотодетектор, показано на фигура (а), е специална структура, базирана на кръстовището на Шотки. През 1992 г. Shi et al. използва технология за епитаксиална фаза на металоорганични пари с ниско налягане (LP-MOVPE) за отглеждане на епитаксиални слоеве и подготви InGaAs MSM фотодетектор, който има висока чувствителност от 0,42 A/W при дължина на вълната от 1,3 μm и ток на тъмнината по-нисък от 5,6 pA/ μm² при 1,5 V. През 1996 г. zhang et al. използва епитаксия с молекулярни лъчи в газова фаза (GSMBE) за отглеждане на епитаксиалния слой InAlAs-InGaAs-InP. Слоят InAlAs показа характеристики с високо съпротивление и условията на растеж бяха оптимизирани чрез измерване на рентгенова дифракция, така че несъответствието на решетката между слоевете InGaAs и InAlAs беше 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 отговор до 16 ps при 5 V. Като цяло фотодетекторът със структура MSM е прост и лесен за интегриране, показвайки нисък тъмен ток (pA ред), но металният електрод ще намали ефективната площ на поглъщане на светлина на устройството, така че реакцията е по-ниска в сравнение с други структури.

InGaAs PIN фотодетекторът вмъква присъщ слой между контактния слой от P-тип и контактния слой от N-тип, както е показано на фигура (b), което увеличава ширината на зоната на изчерпване, като по този начин излъчва повече двойки електрон-дупка и образува по-голям фототок, така че има отлична електронна проводимост. През 2007 г. A.Poloczek и др. използва MBE за отглеждане на нискотемпературен буферен слой за подобряване на грапавостта на повърхността и преодоляване на несъответствието на решетката между Si и InP. MOCVD беше използван за интегриране на InGaAs PIN структура върху InP субстрата и отзивчивостта на устройството беше около 0,57 A / W. През 2011 г. Армейската изследователска лаборатория (ALR) използва PIN фотодетектори, за да проучи изображение на liDAR за навигация, избягване на препятствия/сблъсък и откриване/идентификация на цели на малък обсег за малки безпилотни наземни превозни средства, интегриран с евтин чип за микровълнов усилвател, който значително подобри съотношението сигнал/шум на фотодетектора InGaAs PIN. На тази основа през 2012 г. ALR използва този liDAR образ за роботи с обхват на откриване над 50 m и разделителна способност 256 × 128.

InGaAsлавинен фотодетекторе вид фотодетектор с усилване, чиято структура е показана на фигура (c). Двойката електрон-дупка получава достатъчно енергия под действието на електрическото поле вътре в областта на удвояване, така че да се сблъска с атома, да генерира нови двойки електрон-дупка, да образува лавинообразен ефект и да умножи неравновесните носители в материала . През 2013 г. Джордж М използва MBE за отглеждане на решетъчно съвпадащи InGaAs и InAlAs сплави върху InP субстрат, като използва промени в състава на сплавта, дебелината на епитаксиалния слой и допинг към модулирана енергия на носителя, 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. Sun Jianfeng и др. построи набор от 1570 nm лазерна експериментална платформа за активни изображения, базирана на лавинния фотодетектор InGaAs. Вътрешната верига наAPD фотодетекторполучава 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 от разстояние. Може ясно да се види, че зоната на прозореца на зона c има определено разстояние по дълбочина с област A и b. Платформата реализира ширина на импулса по-малка от 10 ns, енергия на единичен импулс (1 ~ 3) mJ регулируема, ъгъл на полето на приемащата леща 2°, честота на повторение 1 kHz, коефициент на работа 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-висока степен на откриване от PIN фотодетекторите, така че текущият масов лиДАР е доминиран главно от лавинни фотодетектори.

Като цяло, с бързото развитие на технологията за подготовка на InGaAs у дома и в чужбина, ние можем умело да използваме MBE, MOCVD, LPE и други технологии, за да подготвим висококачествен InGaAs епитаксиален слой с голяма площ върху InP субстрат. Фотодетекторите InGaAs показват нисък тъмен ток и висока чувствителност, най-ниският тъмен ток е по-нисък от 0,75 pA/μm², максималната чувствителност е до 0,57 A/W и има бърз преходен отговор (ps ред). Бъдещото развитие на InGaAs фотодетектори ще се фокусира върху следните два аспекта: (1) InGaAs епитаксиален слой се отглежда директно върху Si субстрат. Понастоящем повечето микроелектронни устройства на пазара са базирани на Si и последващото интегрирано развитие на основата на InGaAs и Si е общата тенденция. Решаването на проблеми като несъответствие на решетката и разлика в коефициента на топлинно разширение е от решаващо значение за изследването на InGaAs/Si; (2) Технологията за дължина на вълната от 1550 nm е зряла, а удължената дължина на вълната (2,0 ~ 2,5) μm е бъдещата посока на изследване. С увеличаването на компонентите In, несъответствието на 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 на решетката и да се намали тъмният ток на устройството.