Az InGaAs fotodetektor felépítése

SzerkezeteInGaAs fotodetektor

Az 1980-as évek óta a hazai és külföldi kutatók tanulmányozzák az InGaAs fotodetektorok felépítését, amelyeket főként három típusra osztanak. Ezek az InGaAs fém-félvezető-fém fotodetektor (MSM-PD), az InGaAs PIN-fényképérzékelő (PIN-PD) és az InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD). A különböző felépítésű InGaAs fotodetektorok gyártási folyamatában és költségében jelentős különbségek mutatkoznak, és nagy különbségek vannak az eszközök teljesítményében is.

Az InGaAs fém-félvezető-fémfotodetektorábrán látható, a Schottky-elágazáson alapuló speciális szerkezet. 1992-ben Shi et al. alacsony nyomású fém-szerves gőzfázisú epitaxiás technológiát (LP-MOVPE) használt az epitaxiás rétegek növesztésére, és elkészítette az InGaAs MSM fotodetektort, amely 1,3 μm hullámhosszon 0,42 A/W nagy érzékenységgel és 5,6 pA-nál alacsonyabb sötétárammal rendelkezik. μm² 1,5 V-on. 1996-ban zhang et al. gázfázisú molekuláris nyaláb epitaxiát (GSMBE) használt az InAlAs-InGaAs-InP epitaxiás réteg növesztésére. Az InAlAs réteg nagy fajlagos ellenállást mutatott, és a növekedési körülményeket röntgendiffrakciós méréssel optimalizáltuk, így az InGaAs és az InAlAs rétegek közötti rács eltérés 1×10⁻3 tartományban volt. Ez optimalizált eszközteljesítményt eredményez 10 V-on 0,75 pA/μm² alatti sötétárammal és 5 V-on 16 ps-ig terjedő gyors tranziens reakcióval. Összességében az MSM szerkezetű fotodetektor egyszerű és könnyen integrálható, alacsony sötétáramot (pA) mutat. sorrendben), de a fémelektróda csökkenti az eszköz effektív fényelnyelési területét, így a válasz alacsonyabb, mint más szerkezeteknél.

Az InGaAs PIN fotodetektor egy belső réteget szúr be a P-típusú érintkezőréteg és az N-típusú érintkezőréteg közé, a (b) ábrán látható módon, ami növeli a kimerülési tartomány szélességét, így több elektron-lyuk párt sugároz ki, és egy nagyobb fotoáram, így kiváló elektronvezetési teljesítménnyel rendelkezik. 2007-ben A.Poloczek et al. MBE-t használt egy alacsony hőmérsékletű pufferréteg növesztésére, hogy javítsa a felület érdességét és kiküszöbölje a Si és InP közötti rácsos eltérést. A MOCVD segítségével az InGaAs PIN struktúrát integrálták az InP hordozóra, és az eszköz válaszkészsége körülbelül 0,57 A / W volt. 2011-ben a Hadsereg Kutatólaboratóriuma (ALR) PIN-fényérzékelőket használt, hogy tanulmányozzon egy liDAR képalkotót navigációhoz, akadály/ütközés elkerüléshez és kis hatótávolságú célfelismeréshez/azonosításhoz kis pilóta nélküli szárazföldi járművek számára, integrálva egy alacsony költségű mikrohullámú erősítő chippel. jelentősen javította az InGaAs PIN fotodetektor jel-zaj arányát. Ennek alapján 2012-ben az ALR ezt a liDAR képalkotót használta robotokhoz, több mint 50 méteres érzékelési tartományban és 256 × 128 felbontásban.

Az InGaAslavina fotodetektoregyfajta erősítéssel rendelkező fotodetektor, amelynek felépítése a (c) ábrán látható. Az elektron-lyuk pár a duplázódási tartományon belüli elektromos tér hatására elegendő energiához jut ahhoz, hogy az atommal ütközzen, új elektron-lyuk párokat hozzon létre, lavinahatást keltsen, és megsokszorozza az anyagban lévő nem egyensúlyi hordozókat. . 2013-ban George M MBE-t használt InGaAs és InAlAs ötvözetek rácsának egy InP szubsztrátumon történő növesztésére, az ötvözet összetételének, az epitaxiális rétegvastagságnak és a modulált hordozóenergia adalékolásával az elektrosokk ionizációjának maximalizálása és a lyukionizáció minimalizálása érdekében. Az egyenértékű kimeneti jelerősítésnél az APD alacsonyabb zajt és alacsonyabb sötétáramot mutat. 2016-ban Sun Jianfeng et al. épített egy 1570 nm-es lézeres aktív képalkotó kísérleti platformot, amely az InGaAs lavina fotodetektoron alapul. A belső áramkörAPD fotodetektorfogadott visszhangokat és közvetlenül kiadja a digitális jeleket, így az egész készülék kompakt. A kísérleti eredményeket az 1. ábra mutatja. (d) és (e). A (d) ábra a képalkotó céltárgy fizikai fotója, az (e) ábra pedig egy háromdimenziós távolsági kép. Jól látható, hogy a c terület ablakterülete bizonyos mélységi távolsággal rendelkezik az A és b területtel. A platform 10 ns-nál kisebb impulzusszélességet valósít meg, egyetlen impulzus energiája (1 ~ 3) mJ állítható, vételi lencse szöge 2°, ismétlési frekvencia 1 kHz, detektor terhelhetősége körülbelül 60%. Az APD belső fotoáram-erősítésének, gyors válaszidejének, kompakt méretének, tartósságának és alacsony költségének köszönhetően az APD fotodetektorok észlelési aránya egy nagyságrenddel magasabb lehet, mint a PIN-fényérzékelőké, így a jelenlegi mainstream liDAR-t elsősorban a lavina fotodetektorok uralják.

Összességében elmondható, hogy az InGaAs előkészítési technológia gyors fejlődésével itthon és külföldön is ügyesen használhatjuk az MBE, MOCVD, LPE és egyéb technológiákat nagy felületű, kiváló minőségű InGaAs epitaxiális réteg elkészítésére InP hordozóra. Az InGaAs fotodetektorok alacsony sötétáramot és nagy érzékenységet mutatnak, a legalacsonyabb sötétáram kisebb, mint 0,75 pA/μm², a maximális válaszkészség legfeljebb 0,57 A/W, és gyors tranziens reakcióval rendelkeznek (ps sorrend). Az InGaAs fotodetektorok jövőbeli fejlesztése a következő két szempontra összpontosít: (1) Az InGaAs epitaxiális réteget közvetlenül Si szubsztrátumon növesztjük. Jelenleg a piacon lévő mikroelektronikai eszközök többsége Si alapú, és az InGaAs és Si alapú integrált fejlesztése az általános tendencia. Az InGaAs/Si tanulmányozása szempontjából kulcsfontosságú az olyan problémák megoldása, mint a rácshibák és a hőtágulási együttható különbségek; (2) Az 1550 nm-es hullámhosszú technológia kiforrott, és a kiterjesztett hullámhossz (2,0 ~ 2,5) μm a jövő kutatási iránya. Az In komponensek számának növekedésével az InP szubsztrát és az InGaAs epitaxiális réteg közötti rácsos eltérés súlyosabb diszlokációhoz és hibákhoz vezet, ezért szükséges az eszköz folyamatparamétereinek optimalizálása, a rácshibák csökkentése, valamint az eszköz sötétáramának csökkentése.