Structuur vanInGaAs fotodetector
Sinds de jaren tachtig hebben onderzoekers in binnen- en buitenland de structuur van InGaAs-fotodetectoren bestudeerd, die hoofdzakelijk in drie typen zijn verdeeld. Het zijn InGaAs metaal-halfgeleider-metaal fotodetector (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetector (PIN-PD) en InGaAs Avalanche-fotodetector (APD-PD). Er zijn aanzienlijke verschillen in het fabricageproces en de kosten van InGaAs-fotodetectoren met verschillende structuren, en er zijn ook grote verschillen in de prestaties van de apparaten.
Het InGaAs metaal-halfgeleidermetaalfotodetector, weergegeven in figuur (a), is een speciale structuur gebaseerd op de Schottky-kruising. In 1992 hebben Shi et al. gebruikte lagedruk metaal-organische dampfase-epitaxietechnologie (LP-MOVPE) om epitaxielagen te laten groeien en bereidde InGaAs MSM-fotodetector voor, die een hoge responsiviteit heeft van 0,42 A / W bij een golflengte van 1,3 μm en een donkerstroom lager dan 5,6 pA / μm² bij 1,5 V. In 1996 hebben Zhang et al. gebruikte moleculaire bundelepitaxie in de gasfase (GSMBE) om de InAlAs-InGaAs-InP-epitaxielaag te laten groeien. De InAlAs-laag vertoonde hoge weerstandskenmerken en de groeiomstandigheden werden geoptimaliseerd door röntgendiffractiemetingen, zodat de roostermismatch tussen InGaAs- en InAlAs-lagen binnen het bereik van 1 x 10⁻³ lag. Dit resulteert in geoptimaliseerde apparaatprestaties met donkerstroom van minder dan 0,75 pA/μm² bij 10 V en een snelle transiënte respons tot 16 ps bij 5 V. Over het geheel genomen is de MSM-structuurfotodetector eenvoudig en gemakkelijk te integreren, en vertoont hij een lage donkerstroom (pA ), maar de metalen elektrode verkleint het effectieve lichtabsorptiegebied van het apparaat, waardoor de respons lager is dan bij andere structuren.
De InGaAs PIN-fotodetector voegt een intrinsieke laag in tussen de P-type contactlaag en de N-type contactlaag, zoals weergegeven in figuur (b), waardoor de breedte van het depletiegebied toeneemt, waardoor meer elektronen-gatparen worden uitgestraald en een grotere fotostroom, dus het heeft uitstekende elektronengeleidingsprestaties. In 2007 hebben A. Poloczek et al. gebruikte MBE om een bufferlaag bij lage temperatuur te laten groeien om de oppervlakteruwheid te verbeteren en de roostermismatch tussen Si en InP te overwinnen. MOCVD werd gebruikt om de InGaAs PIN-structuur op het InP-substraat te integreren, en de responsiviteit van het apparaat was ongeveer 0,57A/W. In 2011 gebruikte het Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetectoren om een liDAR-imager te bestuderen voor navigatie, het vermijden van obstakels/botsingen en doeldetectie/identificatie op korte afstand voor kleine onbemande grondvoertuigen, geïntegreerd met een goedkope microgolfversterkerchip die verbeterde de signaal-ruisverhouding van de InGaAs PIN-fotodetector aanzienlijk. Op basis hiervan heeft ALR in 2012 deze liDAR-imager voor robots ingezet, met een detectiebereik van ruim 50 meter en een resolutie van 256×128.
De InGaAslawine fotodetectoris een soort fotodetector met versterking, waarvan de structuur wordt weergegeven in figuur (c). Het elektron-gat-paar verkrijgt voldoende energie onder invloed van het elektrische veld in het verdubbelingsgebied, om met het atoom te botsen, nieuwe elektronen-gatparen te genereren, een lawine-effect te vormen en de niet-evenwichtsdragers in het materiaal te vermenigvuldigen. . In 2013 gebruikte George M MBE om rooster-gematchte InGaAs- en InAlAs-legeringen op een InP-substraat te laten groeien, met behulp van veranderingen in de legeringssamenstelling, epitaxiale laagdikte en doping om de draagenergie te moduleren om elektroshockionisatie te maximaliseren en tegelijkertijd gationisatie te minimaliseren. Bij de equivalente versterking van het uitgangssignaal vertoont APD minder ruis en een lagere donkerstroom. In 2016 hebben Sun Jianfeng et al. bouwde een set van 1570 nm laser-actieve beeldvormingsexperimenteel platform gebaseerd op de InGaAs lawinefotodetector. Het interne circuit vanAPD-fotodetectorontvangen echo's en voeren direct digitale signalen uit, waardoor het hele apparaat compact wordt. De experimentele resultaten worden getoond in FIG. (d) en (e). Figuur (d) is een fysieke foto van het beelddoel, en figuur (e) is een driedimensionaal afstandsbeeld. Duidelijk is te zien dat het raamoppervlak van gebied c een bepaalde diepteafstand heeft met gebied A en b. Het platform realiseert een pulsbreedte van minder dan 10 ns, enkele pulsenergie (1 ~ 3) mJ instelbaar, ontvangstlensveldhoek van 2 °, herhalingsfrequentie van 1 kHz, detector-dutyratio van ongeveer 60%. Dankzij de interne fotostroomversterking, de snelle respons, het compacte formaat, de duurzaamheid en de lage kosten van APD kunnen APD-fotodetectoren een orde van grootte hoger zijn in detectiepercentage dan PIN-fotodetectoren, dus de huidige reguliere liDAR wordt voornamelijk gedomineerd door lawinefotodetectoren.
Over het geheel genomen kunnen we, met de snelle ontwikkeling van de InGaAs-voorbereidingstechnologie in binnen- en buitenland, vakkundig gebruik maken van MBE, MOCVD, LPE en andere technologieën om een hoogwaardige InGaAs epitaxiale laag over een groot oppervlak op InP-substraat te bereiden. InGaAs-fotodetectoren vertonen een lage donkerstroom en een hoge responsiviteit, de laagste donkerstroom is lager dan 0,75 pA/μm², de maximale responsiviteit bedraagt maximaal 0,57 A/W en heeft een snelle transiënte respons (ps-orde). De toekomstige ontwikkeling van InGaAs-fotodetectoren zal zich concentreren op de volgende twee aspecten: (1) De epitaxiale laag van InGaAs wordt rechtstreeks op Si-substraat gegroeid. Momenteel zijn de meeste micro-elektronische apparaten op de markt gebaseerd op Si, en de daaropvolgende geïntegreerde ontwikkeling van op InGaAs en Si gebaseerd is de algemene trend. Het oplossen van problemen zoals roostermismatch en verschil in thermische uitzettingscoëfficiënt is cruciaal voor de studie van InGaAs/Si; (2) De golflengtetechnologie van 1550 nm is volwassen en de verlengde golflengte (2,0 ~ 2,5) μm is de toekomstige onderzoeksrichting. Met de toename van In-componenten zal de mismatch in het rooster tussen het InP-substraat en de epitaxiale InGaAs-laag leiden tot ernstiger dislocaties en defecten. Het is dus noodzakelijk om de procesparameters van het apparaat te optimaliseren, de roosterdefecten te verminderen en de donkerstroom van het apparaat te verminderen.
Posttijd: 06 mei 2024