Structuur vanInGaAs-fotodetector
Sinds de jaren tachtig bestuderen onderzoekers in binnen- en buitenland de structuur van InGaAs-fotodetectoren, die hoofdzakelijk in drie typen worden onderverdeeld: InGaAs metaal-halfgeleider-metaal fotodetectoren (MSM-PD), InGaAs PIN-fotodetectoren (PIN-PD) en InGaAs lawinefotodetectoren (APD-PD). Er bestaan aanzienlijke verschillen in het fabricageproces en de kosten van InGaAs-fotodetectoren met verschillende structuren, evenals grote verschillen in de prestaties van de apparaten.
De InGaAs metaal-halfgeleider-metaalfotodetectorDe structuur die in figuur (a) wordt getoond, is een speciale structuur gebaseerd op de Schottky-junctie. In 1992 gebruikten Shi et al. lagedruk metaal-organische dampfase-epitaxie (LP-MOVPE) om epitaxiale lagen te laten groeien en bereidden ze een InGaAs MSM-fotodetector voor, die een hoge responsiviteit van 0,42 A/W bij een golflengte van 1,3 μm en een donkerstroom van minder dan 5,6 pA/μm² bij 1,5 V had. In 1996 gebruikten Zhang et al. gasfase moleculaire bundelepitaxie (GSMBE) om de InAlAs-InGaAs-InP-epitaxielaag te laten groeien. De InAlAs-laag vertoonde hoge weerstandskarakteristieken en de groeiomstandigheden werden geoptimaliseerd door middel van röntgendiffractiemetingen, zodat de roosterverschil tussen de InGaAs- en InAlAs-lagen binnen het bereik van 1×10⁻³ lag. Dit resulteert in geoptimaliseerde apparaatprestaties met een 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 fotodetector met MSM-structuur eenvoudig en gemakkelijk te integreren, en vertoont hij een lage donkerstroom (in de orde van pA), maar de metalen elektrode zal het effectieve lichtabsorptieoppervlak van het apparaat verkleinen, 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). Deze laag vergroot de breedte van het depletiegebied, waardoor meer elektron-gatparen worden uitgestraald en een grotere fotostroom ontstaat, wat resulteert in uitstekende elektronengeleidingsprestaties. In 2007 gebruikten A. Poloczek et al. MBE om een bufferlaag bij lage temperatuur te laten groeien om de oppervlakteruwheid te verbeteren en de roosterverschillen tussen Si en InP te overbruggen. MOCVD werd gebruikt om de InGaAs PIN-structuur op het InP-substraat te integreren, en de responsiviteit van het apparaat bedroeg ongeveer 0,57 A/W. In 2011 gebruikte het Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetectoren om een liDAR-systeem te ontwikkelen voor navigatie, het vermijden van obstakels en botsingen, en het detecteren en identificeren van doelen op korte afstand voor kleine onbemande grondvoertuigen. Dit systeem was geïntegreerd met een goedkope microgolfversterkerchip die de signaal-ruisverhouding van de InGaAs PIN-fotodetector aanzienlijk verbeterde. Op basis hiervan gebruikte ALR dit liDAR-systeem in 2012 voor robots, met een detectiebereik van meer dan 50 meter en een resolutie van 256 × 128 pixels.
De InGaAslawinefotodetectoris een soort fotodetector met versterking, waarvan de structuur wordt weergegeven in figuur (c). Het elektron-gatpaar verkrijgt voldoende energie onder invloed van het elektrische veld in het verdubbelingsgebied om te botsen met het atoom, nieuwe elektron-gatparen te genereren, een lawine-effect te vormen en de niet-evenwichtige ladingsdragers in het materiaal te vermenigvuldigen. In 2013 gebruikte George M. MBE om rooster-aangepaste InGaAs- en InAlAs-legeringen te laten groeien op een InP-substraat, waarbij hij veranderingen in de legeringssamenstelling, de dikte van de epitaxiale laag en de dotering gebruikte om de ladingsdragerenergie te moduleren en zo de elektroshockionisatie te maximaliseren en de gationisatie te minimaliseren. Bij een equivalente uitgangssignaalversterking vertoont de APD een lagere ruis en een lagere donkerstroom. In 2016 bouwden Sun Jianfeng et al. een experimenteel platform voor actieve beeldvorming met een 1570 nm laser, gebaseerd op de InGaAs-lawinefotodetector. Het interne circuit vanAPD-fotodetectorDe ontvangen echo's worden direct omgezet in digitale signalen, waardoor het hele apparaat compact is. De experimentele resultaten worden weergegeven in figuur (d) en (e). Figuur (d) is een fysieke foto van het beeldvormingsdoel en figuur (e) is een driedimensionaal afstandsbeeld. Het is duidelijk te zien dat het venstergebied c een bepaalde diepteafstand heeft ten opzichte van de gebieden A en b. Het platform realiseert een pulsbreedte van minder dan 10 ns, een instelbare energie van één puls (1 ~ 3) mJ, een ontvangstlensveldhoek van 2°, een herhalingsfrequentie van 1 kHz en een duty cycle van de detector van ongeveer 60%. Dankzij de interne fotostroomversterking, snelle respons, compacte afmetingen, duurzaamheid en lage kosten van APD's kunnen APD-fotodetectoren een orde van grootte hogere detectiesnelheden bereiken dan PIN-fotodetectoren, waardoor de huidige gangbare liDAR voornamelijk wordt gedomineerd door lawinefotodetectoren.
Over het algemeen kunnen we, dankzij de snelle ontwikkeling van InGaAs-bereidingstechnologie in binnen- en buitenland, MBE, MOCVD, LPE en andere technologieën vakkundig gebruiken om hoogwaardige InGaAs-epitaxiale lagen op een InP-substraat te produceren. InGaAs-fotodetectoren vertonen een lage donkerstroom en een hoge responsiviteit; de laagste donkerstroom is lager dan 0,75 pA/μm², de maximale responsiviteit bedraagt tot 0,57 A/W en ze hebben een snelle transiënte respons (ps-orde). De toekomstige ontwikkeling van InGaAs-fotodetectoren zal zich richten op de volgende twee aspecten: (1) De InGaAs-epitaxiale laag wordt direct op een Si-substraat gegroeid. Momenteel zijn de meeste micro-elektronische apparaten op de markt gebaseerd op Si, en de daaropvolgende geïntegreerde ontwikkeling van InGaAs en Si is de algemene trend. Het oplossen van problemen zoals roosterverschillen en verschillen in thermische uitzettingscoëfficiënt is cruciaal voor het onderzoek naar InGaAs/Si; (2) De technologie met een golflengte van 1550 nm is volwassen, en de uitgebreidere golflengte (2,0 ~ 2,5 μm) is de toekomstige onderzoeksrichting. Met de toename van In-componenten zal de roosterverschil tussen het InP-substraat en de InGaAs-epitaxiale laag leiden tot ernstigere dislocaties en defecten. Daarom is het noodzakelijk om de procesparameters van het apparaat te optimaliseren, de roosterdefecten te verminderen en de donkerstroom van het apparaat te verlagen.
Geplaatst op: 6 mei 2024