СтруктураФотодетектор InGaAs
С 1980-х годов исследователи в стране и за рубежом изучают структуру фотодетекторов InGaAs, которые в основном делятся на три типа. Это фотодетектор металл-полупроводник-металл InGaAs (MSM-PD), PIN-фотодетектор InGaAs (PIN-PD) и лавинный фотодетектор InGaAs (APD-PD). Существуют существенные различия в процессе изготовления и стоимости фотодетекторов InGaAs различной структуры, а также большие различия в характеристиках устройств.
InGaAs металл-полупроводник-металлфотодетектор, показанная на рисунке (а), представляет собой специальную структуру на основе перехода Шоттки. В 1992 году Ши и др. использовали технологию газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений под низким давлением (LP-MOVPE) для выращивания слоев эпитаксии и подготовили фотодетектор InGaAs MSM, который имеет высокую чувствительность 0,42 А / Вт при длине волны 1,3 мкм и темновом токе ниже 5,6 пА / мкм² при напряжении 1,5 В. В 1996 г. Чжан и др. использовал газофазную молекулярно-лучевую эпитаксию (GSMBE) для выращивания эпитаксионного слоя InAlAs-InGaAs-InP. Слой InAlAs показал высокие характеристики удельного сопротивления, а условия роста были оптимизированы с помощью рентгеновских дифракционных измерений, так что рассогласование решеток между слоями InGaAs и InAlAs находилось в диапазоне 1×10⁻³. Это приводит к оптимизированным характеристикам устройства с темновым током ниже 0,75 пА/мкм² при напряжении 10 В и быстрым переходным откликом до 16 пс при 5 В. В целом фотодетектор структуры MSM прост и удобен в интеграции, демонстрируя низкий темновой ток (пА). порядок), но металлический электрод уменьшит эффективную площадь поглощения света устройством, поэтому отклик будет ниже, чем у других конструкций.
PIN-фотодетектор InGaAs вставляет внутренний слой между контактным слоем P-типа и контактным слоем N-типа, как показано на рисунке (b), что увеличивает ширину обедненной области, излучая таким образом больше электронно-дырочных пар и образуя больший фототок, поэтому он имеет превосходные характеристики электронной проводимости. В 2007 г. А.Полочек и др. использовал MBE для выращивания низкотемпературного буферного слоя, чтобы улучшить шероховатость поверхности и преодолеть несоответствие решеток между Si и InP. MOCVD использовался для интеграции PIN-структуры InGaAs на подложку InP, а чувствительность устройства составляла около 0,57 А/Вт. В 2011 году Армейская исследовательская лаборатория (ALR) использовала PIN-фотодетекторы для изучения изображения лидара для навигации, предотвращения препятствий/столкновений и обнаружения/идентификации целей на близком расстоянии для небольших беспилотных наземных транспортных средств, интегрированного с недорогим чипом микроволнового усилителя, который значительно улучшилось соотношение сигнал/шум PIN-фотодетектора InGaAs. Исходя из этого, в 2012 году ALR использовала имидж-сканер liDAR для роботов с дальностью обнаружения более 50 м и разрешением 256×128.
InGaAsлавинный фотодетекторпредставляет собой разновидность фотоприемника с усилением, структура которого показана на рисунке (в). Электронно-дырочная пара под действием электрического поля внутри области удвоения получает достаточно энергии, чтобы сталкиваться с атомом, генерировать новые электронно-дырочные пары, формировать лавинный эффект и умножать неравновесные носители в материале. . В 2013 году Джордж М. использовал MBE для выращивания сплавов InGaAs и InAlAs с согласованной решеткой на подложке InP, используя изменения в составе сплава, толщине эпитаксиального слоя и легирование для модулирования энергии носителей, чтобы максимизировать электрошоковую ионизацию при минимизации дырочной ионизации. При эквивалентном усилении выходного сигнала ЛФД показывает меньший шум и меньший темновой ток. В 2016 году Сунь Цзяньфэн и др. построил набор экспериментальной платформы для лазерной активной визуализации с длиной волны 1570 нм на основе лавинного фотодетектора InGaAs. Внутренняя схемафотодетектор АФДпринимать эхо-сигналы и напрямую выводить цифровые сигналы, что делает все устройство компактным. Результаты эксперимента показаны на фиг. (г) и (е). Рисунок (d) представляет собой физическую фотографию объекта изображения, а рисунок (e) представляет собой трехмерное изображение с расстояния. Можно ясно видеть, что область окна области c имеет определенное расстояние по глубине с областью A и b. Платформа реализует импульс длительностью 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, быстрому отклику, компактным размерам, 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 подготовки InGaAs в стране и за рубежом, мы можем умело использовать MBE, MOCVD, LPE и другие технологии для приготовления высококачественного эпитаксиального слоя InGaAs большой площади на подложке InP. Фотодетекторы InGaAs обладают низким темновым током и высокой чувствительностью, минимальный темновой ток ниже 0,75 пА/мкм², максимальная чувствительность до 0,57 А/Вт и быстрый переходный процесс (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 кремнии, 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 является зрелой, 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: 6 мая 2024 г.