SzerkezeteInGaAs fotodetektor
Az 1980-as évek óta hazai és külföldi kutatók tanulmányozták az InGaAs fotodetektorok szerkezetét, amelyek főként három típusra oszthatók. Ezek az InGaAs fém-félvezető-fém fotodetektor (MSM-PD), az InGaAs PIN fotodetektor (PIN-PD) és az InGaAs lavina fotodetektor (APD-PD). Jelentős különbségek vannak a különböző szerkezetű InGaAs fotodetektorok gyártási folyamatában és költségében, valamint az eszközök teljesítményében is nagy különbségek vannak.
Az InGaAs fém-félvezető-fémfotodetektorAz (a) ábrán látható szerkezet egy speciális, a Schottky-átmeneten alapuló szerkezet. 1992-ben Shi és munkatársai alacsony nyomású fémorganikus gőzfázisú epitaxia technológiát (LP-MOVPE) alkalmaztak epitaxia rétegek növesztésére, és elkészítették az InGaAs MSM fotodetektort, amelynek magas, 0,42 A/W érzékenysége van 1,3 μm hullámhosszon, és sötétárama alacsonyabb, mint 5,6 pA/μm² 1,5 V feszültségen. 1996-ban Zhang és munkatársai gázfázisú molekulasugaras epitaxiát (GSMBE) alkalmaztak az InAlAs-InGaAs-InP epitaxia réteg növesztésére. Az InAlAs réteg nagy ellenállási jellemzőket mutatott, és a növekedési feltételeket röntgendiffrakciós méréssel optimalizálták, így az InGaAs és InAlAs rétegek közötti rácseltérés 1×10⁻³ tartományon belül volt. Ez optimalizált eszközteljesítményt eredményez, a sötétáram 10 V-on 0,75 pA/μm² alatt van, a tranziens válasz pedig akár 16 ps is lehet 5 V-on. Összességében az MSM szerkezetű fotodetektor egyszerű és könnyen integrálható, alacsony sötétáramot mutat (pA nagyságrendben), de a fémelektróda csökkenti az eszköz effektív fényelnyelési területét, így a válasz alacsonyabb, mint más szerkezetek esetében.
Az InGaAs PIN fotodetektor egy belső réteget illeszt be a P-típusú kontakt réteg és az N-típusú kontakt réteg közé, ahogy az a (b) ábrán látható, ami növeli a kiürülési régió szélességét, ezáltal több elektron-lyuk párt sugároz ki és nagyobb fotoáramot képez, így kiváló elektronvezetési teljesítménnyel rendelkezik. 2007-ben A.Poloczek és munkatársai MBE-t használtak egy alacsony hőmérsékletű pufferréteg növesztésére, hogy javítsák a felületi érdességet és leküzdjék a Si és InP közötti rácseltérést. MOCVD-t alkalmaztak az InGaAs PIN struktúra integrálására az InP szubsztráton, és az eszköz érzékenysége körülbelül 0,57 A /W volt. 2011-ben a Hadsereg Kutatólaboratóriuma (ALR) PIN fotodetektorokat használt egy liDAR képalkotó tanulmányozására navigációhoz, akadály-/ütközések elkerüléséhez és rövid hatótávolságú célpontok észleléséhez/azonosításához kis, pilóta nélküli földi járművekben, integrálva egy alacsony költségű mikrohullámú erősítő chippel, amely jelentősen javította az InGaAs PIN fotodetektor jel-zaj arányát. Ennek alapján az ALR 2012-ben ezt a liDAR képalkotót használta robotokhoz, több mint 50 m-es érzékelési tartománnyal és 256 × 128-as felbontással.
Az InGaAslavina fotodetektoregyfajta erősítésű fotodetektor, amelynek szerkezete a (c) ábrán látható. Az elektron-lyuk pár elegendő energiát kap az elektromos tér hatására a kettősödési tartományon belül ahhoz, hogy ütközzön az atommal, új elektron-lyuk párokat generáljon, lavinahatást hozzon létre, és megsokszorozza az anyagban lévő nemegyensúlyi töltéshordozókat. 2013-ban George M. MBE-t használt rácsillesztéses InGaAs és InAlAs ötvözetek növesztésére egy InP hordozón, az ötvözet összetételének, az epitaxiális réteg vastagságának és a modulált töltéshordozó energiához való adalékolás változtatásával maximalizálva az elektrosokk ionizációt, miközben minimalizálja a lyukionizációt. Az ekvivalens kimeneti jelerősítésnél az APD alacsonyabb zajt és alacsonyabb sötétáramot mutat. 2016-ban Sun Jianfeng és munkatársai egy 1570 nm-es lézeres aktív képalkotó kísérleti platformot építettek az InGaAs lavina fotodetektor alapján. A belső áramköreAPD fotodetektorvisszhangokat vesz és közvetlenül digitális jeleket ad ki, így az egész eszköz kompakt. A kísérleti eredményeket a (d) és (e) ábra mutatja. A (d) ábra a képalkotó célpont fizikai fényképe, az (e) ábra pedig egy háromdimenziós távolságkép. Jól látható, hogy a c terület ablakterülete bizonyos mélységi távolsággal rendelkezik az A és a b területekkel. A platform 10 ns-nál kisebb impulzusszélességet, állítható egyetlen impulzus energiát (1 ~ 3) mJ, 2°-os vevőlencse-mezőszöget, 1 kHz-es ismétlési frekvenciát és körülbelül 60%-os detektor-kitöltési arányt valósít meg. Az APD belső fotoáram-erősítésének, gyors válaszidejének, kompakt méretének, tartósságának és alacsony költségének köszönhetően az APD fotodetektorok nagyságrenddel magasabb detektálási sebességet érhetnek el, mint a PIN fotodetektorok, így a jelenlegi mainstream liDAR-t főként a lavina fotodetektorok uralják.
Összességében az InGaAs előállítási technológiájának gyors fejlődésével itthon és külföldön is ügyesen tudjuk alkalmazni az MBE, MOCVD, LPE és más technológiákat nagy felületű, kiváló minőségű InGaAs epitaxiális réteg előállítására InP hordozón. Az InGaAs fotodetektorok alacsony sötétáramot és magas érzékenységet mutatnak, a legalacsonyabb sötétáram alacsonyabb, mint 0,75 pA/μm², a maximális érzékenység akár 0,57 A/W, és gyors tranziens válasszal rendelkeznek (ps nagyságrendű). Az InGaAs fotodetektorok jövőbeli fejlesztése a következő két szempontra fog összpontosítani: (1) Az InGaAs epitaxiális réteget közvetlenül Si hordozóra növesztik. Jelenleg a piacon lévő mikroelektronikai eszközök többsége Si alapú, és az InGaAs és Si alapú eszközök integrált fejlesztése az általános trend. Az olyan problémák megoldása, mint a rácsillesztés és a hőtágulási együttható különbsége, kulcsfontosságú az InGaAs/Si tanulmányozása szempontjából; (2) Az 1550 nm hullámhosszú technológia kiforrott, és a kiterjesztett hullámhossz (2,0 ~ 2,5) μm a jövőbeli kutatási irány. Az In komponensek számának növekedésével az InP szubsztrát és az InGaAs epitaxiális réteg közötti rácseltérés komolyabb diszlokációkhoz és hibákhoz vezet, ezért optimalizálni kell az eszköz folyamatparamétereit, csökkenteni kell a rácshibákat és az eszköz sötétáramát.
Közzététel ideje: 2024. május 6.