СтруктураInGaAs фотодетектор
С 1980-х годов отечественные и зарубежные исследователи изучают структуру фотодетекторов на основе InGaAs. В настоящее время их подразделяют на три основных типа: фотодетекторы металл-полупроводник-металл (МПМ-ФД), фотодетекторы InGaAs PIN (ПИН-ФД) и лавинные фотодетекторы InGaAs (ЛФД). Существуют значительные различия в технологии изготовления и стоимости фотодетекторов на основе InGaAs с различной структурой, а также в их характеристиках.
InGaAs металл-полупроводник-металлфотодетектор, показанная на рисунке (a), представляет собой специальную структуру на основе диода Шоттки. В 1992 году Ши и др. использовали технологию газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений низкого давления (LP-MOVPE) для выращивания эпитаксических слоев и изготовили InGaAs MSM-фотодетектор, обладающий высокой чувствительностью 0,42 А/Вт на длине волны 1,3 мкм и темновым током менее 5,6 пА/мкм² при напряжении 1,5 В. В 1996 году Чжан и др. использовали газофазную молекулярно-лучевую эпитаксию (GSMBE) для выращивания эпитаксического слоя InAlAs-InGaAs-InP. Слой InAlAs продемонстрировал высокие характеристики удельного сопротивления, а условия роста были оптимизированы с помощью рентгеновской дифракции, так что рассогласование решёток между слоями InGaAs и InAlAs находилось в диапазоне 1×10⁻³. Это обеспечивает оптимальные характеристики прибора с темновым током менее 0,75 пА/мкм² при 10 В и быстрым переходным откликом до 16 пс при 5 В. В целом, фотодетектор на основе МПМ-структуры прост и удобен в интеграции, демонстрируя низкий темновой ток (порядка пикоампер), однако металлический электрод уменьшает эффективную площадь поглощения света прибором, поэтому отклик ниже, чем у других структур.
В InGaAs PIN-фотодетекторе между контактными слоями P-типа и N-типа вставлен собственный слой, как показано на рисунке (b), что увеличивает ширину обеднённой области, тем самым излучая больше электронно-дырочных пар и формируя больший фототок, благодаря чему он обладает превосходными характеристиками электронной проводимости. В 2007 году А. Полочек и др. использовали метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для выращивания низкотемпературного буферного слоя, чтобы улучшить шероховатость поверхности и преодолеть несоответствие параметров решёток Si и InP. Для интеграции PIN-структуры InGaAs на подложку InP был использован метод MOCVD, при этом чувствительность прибора составила около 0,57 А/Вт. В 2011 году Армейская исследовательская лаборатория (ALR) использовала PIN-фотодетекторы для исследования лидар-формирователя изображений для навигации, предотвращения столкновений и обнаружения/идентификации целей на малых расстояниях для малых беспилотных наземных аппаратов, интегрированного с недорогой микросхемой микроволнового усилителя, которая значительно улучшила отношение сигнал/шум InGaAs PIN-фотодетектора. Исходя из этого, в 2012 году ALR использовала этот лидар-формирователь изображений для роботов с дальностью обнаружения более 50 м и разрешением 256 × 128.
InGaAsлавинный фотодетекторпредставляет собой разновидность фотодетектора с усилением, структура которого показана на рисунке (c). Электронно-дырочная пара получает достаточно энергии под действием электрического поля внутри области удвоения, чтобы столкнуться с атомом, создать новые электронно-дырочные пары, сформировать лавинный эффект и умножить неравновесные носители заряда в материале. В 2013 году Джордж М. использовал метод молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ) для выращивания решеточно согласованных сплавов InGaAs и InAlAs на подложке InP, изменяя состав сплава, толщину эпитаксиального слоя и легирование для модуляции энергии носителей заряда, чтобы максимизировать электроударную ионизацию и минимизировать дырочную ионизацию. При эквивалентном усилении выходного сигнала ЛФД демонстрирует меньший уровень шума и меньший темновой ток. В 2016 году Сунь Цзяньфэн и др. создали экспериментальную платформу для получения активных лазерных изображений с длиной волны 1570 нм на основе лавинного фотодетектора InGaAs. Внутренняя схемаФотодетектор APDпринятые эхо-сигналы и непосредственно выходные цифровые сигналы, что делает все устройство компактным. Экспериментальные результаты показаны на рис. (d) и (e). Рисунок (d) представляет собой физическую фотографию объекта визуализации, а рисунок (e) представляет собой трехмерное изображение расстояния. Хорошо видно, что область окна области c имеет определенное расстояние по глубине с областями A и b. Платформа реализует ширину импульса менее 10 нс, регулируемую энергию одиночного импульса (1 ~ 3) мДж, угол поля приемной линзы 2°, частоту повторения 1 кГц, коэффициент заполнения детектора около 60%. Благодаря внутреннему усилению фототока APD, быстрому отклику, компактному размеру, долговечности и низкой стоимости, фотодетекторы APD могут быть на порядок выше по скорости обнаружения, чем фотодетекторы PIN, поэтому в настоящее время в основных лидарах в основном доминируют лавинные фотодетекторы.
В целом, благодаря быстрому развитию технологии получения InGaAs в стране и за рубежом, мы можем умело использовать MBE, MOCVD, LPE и другие технологии для получения высококачественного эпитаксиального слоя InGaAs большой площади на подложке InP. Фотодетекторы InGaAs демонстрируют низкий темновой ток и высокую чувствительность, самый низкий темновой ток ниже 0,75 пА/мкм², максимальная чувствительность до 0,57 А/Вт и имеют быстрый переходный отклик (псевдопиксельный порядок). Дальнейшее развитие фотодетекторов InGaAs будет сосредоточено на следующих двух аспектах: (1) эпитаксиальный слой InGaAs выращивается непосредственно на подложке Si. В настоящее время большинство микроэлектронных устройств на рынке основаны на Si, и последующая комплексная разработка на основе InGaAs и Si является общей тенденцией. Решение таких проблем, как несоответствие решеток и разница коэффициентов теплового расширения, имеет решающее значение для изучения InGaAs/Si; (2) Технология длины волны 1550 нм уже отработана, и расширенный диапазон длин волн (2,0 ~ 2,5 мкм) является перспективным направлением исследований. С увеличением содержания In в компонентах несоответствие параметров решеток подложки InP и эпитаксиального слоя InGaAs приведет к более серьезным дислокациям и дефектам, поэтому необходимо оптимизировать параметры процесса изготовления прибора, уменьшить количество дефектов решетки и уменьшить темновой ток прибора.
Время публикации: 06 мая 2024 г.