СтруктураInGaAs фотодетектор
Начиная с 1980-х годов, исследователи в стране и за рубежом изучали структуру фотодетекторов InGaAs, которые в основном делятся на три типа. Это фотодетектор металл-полупроводник-металл InGaAs (MSM-PD), фотодетектор PIN InGaAs (PIN-PD) и лавинный фотодетектор InGaAs (APD-PD). Существуют значительные различия в процессе изготовления и стоимости фотодетекторов InGaAs с различными структурами, а также существуют большие различия в производительности устройств.
InGaAs металл-полупроводник-металлфотодетектор, показанная на рисунке (a), представляет собой специальную структуру на основе перехода Шоттки. В 1992 году Ши и др. использовали технологию низкотемпературной парофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (LP-MOVPE) для выращивания эпитаксических слоев и подготовили фотодетектор InGaAs MSM, который имеет высокую чувствительность 0,42 А/Вт на длине волны 1,3 мкм и темновой ток ниже 5,6 пА/мкм² при 1,5 В. В 1996 году Чжан и др. использовали газофазную молекулярно-лучевую эпитаксию (GSMBE) для выращивания эпитаксического слоя InAlAs-InGaAs-InP. Слой InAlAs показал высокие характеристики сопротивления, а условия роста были оптимизированы с помощью рентгеновской дифракции, так что несоответствие решеток между слоями InGaAs и InAlAs находилось в диапазоне 1×10⁻³. Это приводит к оптимизированной производительности устройства с темновым током ниже 0,75 пА/мкм² при 10 В и быстрым переходным откликом до 16 пс при 5 В. В целом фотодетектор на основе структуры MSM прост и удобен в интеграции, показывая низкий темновой ток (порядка пА), но металлический электрод уменьшит эффективную площадь поглощения света устройством, поэтому отклик ниже, чем у других структур.
Фотодетектор InGaAs PIN вставляет собственный слой между контактным слоем P-типа и контактным слоем N-типа, как показано на рисунке (b), что увеличивает ширину области обеднения, тем самым излучая больше пар электрон-дырка и формируя больший фототок, поэтому он имеет превосходные характеристики электронной проводимости. В 2007 году A.Poloczek et al. использовали MBE для выращивания низкотемпературного буферного слоя для улучшения шероховатости поверхности и преодоления несоответствия решеток между Si и InP. MOCVD использовался для интеграции структуры InGaAs PIN на подложке InP, а чувствительность устройства составила около 0,57 А/Вт. В 2011 году Армейская исследовательская лаборатория (ALR) использовала фотодетекторы PIN для изучения лидарного тепловизора для навигации, предотвращения столкновений и обнаружения/идентификации целей на малых расстояниях для небольших беспилотных наземных транспортных средств, интегрированного с недорогим чипом микроволнового усилителя, который значительно улучшил отношение сигнал/шум InGaAs-фотодетектора PIN. На этой основе в 2012 году ALR использовала этот лидарный тепловизор для роботов с дальностью обнаружения более 50 м и разрешением 256 × 128.
InGaAsлавинный фотодетекторпредставляет собой своего рода фотодетектор 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 в материале. В 2013 году Джордж М. использовал МЛЭ для выращивания решеточно-согласованных сплавов InGaAs и InAlAs на подложке InP, используя изменения в составе сплава, толщине эпитаксиального слоя и легировании для модулированной энергии носителей, чтобы максимизировать электрошоковую ионизацию при минимизации дырочной ионизации. При эквивалентном усилении выходного сигнала APD показывает меньший шум и меньший темновой ток. В 2016 году Сан Цзяньфэн и др. построили набор экспериментальной платформы лазерной активной визуализации 1570 нм на основе лавинного фотодетектора InGaAs. Внутренняя схемаФотодетектор APDпринятые эхо-сигналы и напрямую выводятся цифровые сигналы, что делает все устройство компактным. Экспериментальные результаты показаны на ФИГ. (d) и (e). ФИГ. (d) представляет собой физическую фотографию цели визуализации, а ФИГ. (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, с быстрым развитием технологии приготовления InGaAs в стране и за рубежом, мы можем умело использовать MBE, MOCVD, LPE и другие технологии для приготовления эпитаксиального слоя InGaAs большой площади высокого качества 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 (порядок пс). Будущее 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 зрелая, а расширенная длина волны (2,0 ~ 2,5) мкм является будущим направлением исследований. С увеличением компонентов In несоответствие решетки между подложкой InP и эпитаксиальным слоем InGaAs приведет к более серьезным дислокациям и дефектам, поэтому необходимо оптимизировать параметры процесса устройства, уменьшить дефекты решетки и уменьшить темновой ток устройства.
Время публикации: 06-05-2024