De structuur vanInGaAs-fotodetector
Sinds de jaren tachtig bestuderen onderzoekers de structuur van InGaAs-fotodetectoren, die kunnen worden onderverdeeld in drie hoofdtypen: InGaAs-metaal, halfgeleider-metaal.fotodetectoren(MSM-PD), InGaAsPIN-fotodetectoren(PIN-PD) en InGaAslawinefotodetectoren(APD-PD). Er bestaan aanzienlijke verschillen in het productieproces en de kosten van InGaAs-fotodetectoren met verschillende structuren, en er zijn ook aanzienlijke verschillen in de prestaties van de apparaten.
De schematische weergave van de InGaAs-metaal-halfgeleider-metaal-fotodetectorstructuur is weergegeven in de figuur. Dit is een speciale structuur gebaseerd op een Schottky-junctie. In 1992 gebruikten Shi et al. de lagedruk-metaalorganische dampfase-epitaxie (LP-MOVPE)-technologie om epitaxiale lagen te laten groeien en InGaAs MSM-fotodetectoren te vervaardigen. Het apparaat had 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. In 1996 gebruikten onderzoekers gasfase-moleculaire bundelepitaxie (GSMBE) om epitaxiale InAlAs-InGaAs-InP-lagen te laten groeien, die een hoge soortelijke weerstand vertoonden. De groeiomstandigheden werden geoptimaliseerd door middel van röntgendiffractiemetingen, wat resulteerde in een roosterverschil tussen de InGaAs- en InAlAs-lagen in het bereik van 1 × 10⁻³. Als gevolg hiervan werden de prestaties van het apparaat geoptimaliseerd, met een donkerstroom van minder dan 0,75 pA/μm² bij 10 V en een snelle transiënte respons van 16 ps bij 5 V. Over het geheel genomen heeft de fotodetector met MSM-structuur een eenvoudige en gemakkelijk te integreren structuur, met een lagere donkerstroom (pA-niveau), maar de metalen elektrode vermindert het effectieve lichtabsorptieoppervlak van het apparaat, wat resulteert in een lagere responsiviteit in vergelijking met andere structuren.
De InGaAs PIN-fotodetector heeft een intrinsieke laag ingevoegd tussen de P-type contactlaag en de N-type contactlaag, zoals weergegeven in de afbeelding. Deze laag vergroot de breedte van het depletiegebied, waardoor meer elektron-gatparen worden uitgestraald en een grotere fotostroom ontstaat, wat resulteert in een uitstekende elektrische geleidbaarheid. In 2007 gebruikten onderzoekers MBE om bufferlagen bij lage temperatuur te laten groeien, waardoor de oppervlakteruwheid verbeterde en de roosterverschillen tussen Si en InP werden overwonnen. Ze integreerden InGaAs PIN-structuren op InP-substraten met behulp van MOCVD, en de responsiviteit van het apparaat bedroeg ongeveer 0,57 A/W. In 2011 gebruikten onderzoekers PIN-fotodetectoren om een LiDAR-beeldvormingsapparaat voor korte afstanden te ontwikkelen voor navigatie, het vermijden van obstakels/botsingen en het detecteren/herkennen van doelen door kleine onbemande grondvoertuigen. Het apparaat werd geïntegreerd met een goedkope microgolfversterkerchip, waardoor de signaal-ruisverhouding van InGaAs PIN-fotodetectoren aanzienlijk werd verbeterd. Op basis hiervan pasten onderzoekers in 2012 dit LiDAR-beeldvormingsapparaat toe op robots, met een detectiebereik van meer dan 50 meter en een verhoogde resolutie van 256 × 128.
De InGaAs-lawinefotodetector is een type fotodetector met versterking, zoals weergegeven in het structuurdiagram. Elektron-gatparen verkrijgen voldoende energie onder invloed van het elektrische veld in het verdubbelingsgebied en botsen met atomen om nieuwe elektron-gatparen te genereren, waardoor een lawine-effect ontstaat en de niet-evenwichtige ladingsdragers in het materiaal worden verdubbeld. In 2013 gebruikten onderzoekers MBE om rooster-aangepaste InGaAs- en InAlAs-legeringen op InP-substraten te laten groeien, waarbij de dragerenergie werd gemoduleerd door veranderingen in de legeringssamenstelling, de dikte van de epitaxiale laag en de dotering, waardoor elektroshockionisatie werd gemaximaliseerd en gationisatie werd geminimaliseerd. Bij een equivalente uitgangssignaalversterking vertoont de APD een lage ruis en een lagere donkerstroom. In 2016 bouwden onderzoekers een experimenteel platform voor actieve beeldvorming met een 1570 nm laser op basis van InGaAs-lawinefotodetectoren. Het interne circuit van deAPD-fotodetectorDe ontvangen echo's worden direct omgezet in digitale signalen, waardoor het hele apparaat compact is. De experimentele resultaten worden weergegeven in figuren (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 in zone C een bepaalde diepteafstand heeft tot zones A en B. Dit platform bereikt een pulsbreedte van minder dan 10 ns, een instelbare energie per puls (1-3 mJ), een gezichtsveldhoek van 2° voor de zend- en ontvangstlenzen, 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 detectiesnelheid bereiken die een orde van grootte hoger is dan die van PIN-fotodetectoren. Daarom maken de meeste laserradars momenteel voornamelijk gebruik van lawinefotodetectoren.
Geplaatst op: 11 februari 2026