Structuur vanInGaAs-fotodetector
Sinds de jaren 80 bestuderen onderzoekers in binnen- en buitenland de structuur van InGaAs-fotodetectoren, die hoofdzakelijk in drie typen worden onderverdeeld: de InGaAs metaal-halfgeleider-metaal-fotodetector (MSM-PD), de InGaAs PIN-fotodetector (PIN-PD) en de InGaAs lawinefotodetector (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.
De InGaAs metaal-halfgeleider-metaalfotodetector, weergegeven in figuur (a), is een speciale structuur gebaseerd op de Schottky-overgang. In 1992 gebruikten Shi et al. lagedruk metaal-organische dampfase-epitaxietechnologie (LP-MOVPE) om epitaxielagen te laten groeien en maakten ze een InGaAs MSM-fotodetector, die een hoge responsiviteit van 0,42 A/W heeft bij een golflengte van 1,3 μm en een donkerstroom lager dan 5,6 pA/μm² bij 1,5 V. In 1996 gebruikten Zhang et al. gasfase-moleculaire bundelepitaxie (GSMBE) om de InAlAs-InGaAs-InP-epitaxielaag te laten groeien. De InAlAs-laag vertoonde hoge weerstandseigenschappen en de groeiomstandigheden werden geoptimaliseerd door röntgendiffractiemeting, zodat de roostermismatch tussen de InGaAs- en InAlAs-lagen binnen het bereik van 1×10⁻³ lag. Dit resulteert in geoptimaliseerde apparaatprestaties met donkerstroom van minder dan 0,75 pA/μm² bij 10 V en een snelle transiëntrespons tot 16 ps bij 5 V. Over het geheel genomen is de MSM-structuurfotodetector eenvoudig en gemakkelijk te integreren, met een lage donkerstroom (pA-orde), maar de metalen elektrode zal het effectieve lichtabsorptiegebied van het apparaat verminderen, waardoor de respons lager is dan bij andere structuren.
De InGaAs PIN-fotodetector plaatst een intrinsieke laag tussen de P-type contactlaag en de N-type contactlaag, zoals weergegeven in figuur (b). Dit vergroot de breedte van het depletiegebied, waardoor meer elektron-gatparen worden uitgestraald en een grotere fotostroom wordt gevormd. Dit resulteert in uitstekende elektronengeleidingsprestaties. In 2007 gebruikten A. Poloczek et al. MBE om een bufferlaag voor lage temperaturen te creëren om de oppervlakteruwheid te verbeteren en de roostermismatch tussen Si en InP te verhelpen. MOCVD werd gebruikt om de InGaAs PIN-structuur op het InP-substraat te integreren en de responsiviteit van het apparaat was ongeveer 0,57 A/W. In 2011 gebruikte het Army Research Laboratory (ALR) PIN-fotodetectoren om een LiDAR-imager te onderzoeken voor navigatie, het vermijden van obstakels/botsingen en het detecteren/identificeren van doelen op korte afstand voor kleine onbemande grondvoertuigen. Deze camera was geïntegreerd met een goedkope microgolfversterkerchip die de signaal-ruisverhouding van de InGaAs PIN-fotodetector aanzienlijk verbeterde. Op basis hiervan gebruikte ALR deze LiDAR-imager in 2012 voor robots, met een detectiebereik van meer dan 50 m en een resolutie van 256 × 128.
De InGaAslawine fotodetectoris een soort fotodetector met versterking, waarvan de structuur is weergegeven in figuur (c). Het elektron-gatpaar verkrijgt onder invloed van het elektrische veld in het verdubbelingsgebied voldoende energie om met het atoom te botsen, nieuwe elektron-gatparen te genereren, een lawine-effect te vormen en de niet-evenwichtsdragers in het materiaal te vermenigvuldigen. In 2013 gebruikte George M. MBE om roostergematchte InGaAs- en InAlAs-legeringen te laten groeien op een InP-substraat. Hierbij werden veranderingen in de legeringssamenstelling, de epitaxiale laagdikte en dotering naar gemoduleerde dragerenergie gebruikt om elektroshockionisatie te maximaliseren en gationisatie te minimaliseren. Bij de equivalente uitgangssignaalversterking vertoont APD minder ruis en een lagere donkerstroom. In 2016 bouwden Sun Jianfeng et al. een experimenteel platform voor laseractieve beeldvorming met een bereik van 1570 nm, gebaseerd op de InGaAs-lawinefotodetector. Het interne circuit vanAPD-fotodetectorOntvangen echo's en direct digitale signalen uitsturen, waardoor het geheel compact is. De experimentele resultaten worden weergegeven in Fig. (d) en (e). Figuur (d) is een fysieke foto van het beelddoel en Figuur (e) is een driedimensionale afstandsafbeelding. Het is duidelijk te zien dat het venstergebied van gebied c een bepaalde diepteafstand heeft tot gebied A en b. Het platform realiseert een pulsbreedte van minder dan 10 ns, een instelbare enkele pulsenergie (1 ~ 3) mJ, een ontvangende lensveldhoek van 2°, een herhalingsfrequentie van 1 kHz en een inschakelduur van de detector van ongeveer 60%. Dankzij de interne fotostroomversterking, snelle respons, compacte afmetingen, duurzaamheid en lage kosten van APD, kunnen APD-fotodetectoren een orde van grootte hoger zijn in detectiepercentage dan PIN-fotodetectoren, waardoor de huidige mainstream LiDAR voornamelijk wordt gedomineerd door lawinefotodetectoren.
Over het algemeen kunnen we, met de snelle ontwikkeling van InGaAs-preparatietechnologie in binnen- en buitenland, vakkundig MBE, MOCVD, LPE en andere technologieën gebruiken om een grootschalige, hoogwaardige InGaAs-epitaxiale laag op een InP-substraat te prepareren. InGaAs-fotodetectoren vertonen een lage donkerstroom en een hoge responsiviteit, de laagste donkerstroom is lager dan 0,75 pA/μm², de maximale responsiviteit is maximaal 0,57 A/W en heeft een snelle transiëntrespons (ps-orde). De toekomstige ontwikkeling van InGaAs-fotodetectoren zal zich richten op de volgende twee aspecten: (1) InGaAs-epitaxiale laag wordt direct op 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 roostermismatch en thermische uitzettingscoëfficiëntverschillen is cruciaal voor de studie van InGaAs/Si; (2) De technologie met een golflengte 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 roostermismatch tussen het InP-substraat en de epitaxiale InGaAs-laag leiden tot ernstigere dislocaties en defecten. Daarom is het noodzakelijk om de procesparameters van het apparaat te optimaliseren, roosterdefecten te verminderen en de donkerstroom van het apparaat te verminderen.
Plaatsingstijd: 6 mei 2024