СтруктураФотодетектор на основе InGaAs
Начиная с 1980-х годов, исследователи в стране и за рубежом изучают структуру фотодетекторов на основе InGaAs, которые в основном делятся на три типа: фотодетекторы типа металл-полупроводник-металл (MSM-PD), фотодетекторы типа PIN на основе InGaAs (PIN-PD) и лавинные фотодетекторы на основе InGaAs (APD-PD). Существуют значительные различия в процессе изготовления и стоимости фотодетекторов на основе InGaAs с различной структурой, а также существенные различия в характеристиках устройств.
Металл-полупроводник-металл InGaAsфотодетекторКак показано на рисунке (а), это особая структура, основанная на переходе Шоттки. В 1992 году Ши и др. использовали технологию низкотемпературной металлоорганической парофазной эпитаксии (LP-MOVPE) для выращивания эпитаксиальных слоев и изготовили фотодетектор InGaAs MSM, который обладает высокой чувствительностью 0,42 А/Вт на длине волны 1,3 мкм и темновым током менее 5,6 пА/мкм² при 1,5 В. В 1996 году Чжан и др. использовали газофазную молекулярно-лучевую эпитаксию (GSMBE) для выращивания эпитаксиального слоя InAlAs-InGaAs-InP. Слой InAlAs продемонстрировал высокие характеристики удельного 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 привело к оптимизации характеристик устройства с темновой 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, демонстрируя низкий темновой ток (порядка пА), но металлический электрод уменьшает эффективную площадь поглощения света устройством, поэтому отклик ниже, чем у других структур.
Фотодетектор InGaAs PIN имеет внутренний слой, расположенный между контактными слоями P-типа и N-типа, как показано на рисунке (b), что увеличивает ширину обедненной области, тем самым излучая больше электронно-дырочных пар и формируя больший фототок, поэтому он обладает превосходными характеристиками электронной проводимости. В 2007 году А. Полочек и др. использовали метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МБЭ) для выращивания низкотемпературного буферного слоя с целью улучшения шероховатости поверхности и преодоления несоответствия кристаллической решетки между Si и InP. Метод MOCVD был использован для интеграции структуры InGaAs PIN на подложке InP, и чувствительность устройства составила около 0,57 А/Вт. В 2011 году Армейская исследовательская лаборатория (ALR) использовала PIN-фотодетекторы для изучения лидарного датчика для навигации, предотвращения столкновений и обнаружения/идентификации целей на малых беспилотных наземных транспортных средствах. Датчик был интегрирован с недорогим микроволновым усилителем, который значительно улучшил отношение сигнал/шум InGaAs PIN-фотодетектора. На этой основе в 2012 году ALR использовала этот лидарный датчик для роботов, обеспечив дальность обнаружения более 50 м и разрешение 256 × 128.
InGaAsлавинный фотодетекторЭто 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, генерировать новые электронно-дырочные пары, формировать лавинный эффект и умножать неравновесные носители заряда в материале. В 2013 году Джордж М. использовал метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МБЭ) для выращивания сплавов InGaAs и InAlAs с согласованной решеткой на подложке InP, используя изменения состава сплава, толщины эпитаксиального слоя и легирования для модуляции энергии носителей заряда с целью максимизации электрошоковой ионизации при минимизации ионизации дырок. При эквивалентном усилении выходного сигнала лавинный фотодетектор демонстрирует более низкий уровень шума и меньший темновой ток. В 2016 году Сунь Цзяньфэн и др. создали экспериментальную платформу для активной визуализации с использованием лазера 1570 нм на основе лавинного фотодетектора InGaAs. Внутренняя схемаФотодетектор APDПринимаются эхо-сигналы, и устройство напрямую выдает цифровые сигналы, что делает его компактным. Результаты экспериментов показаны на фиг. (d) и (e). На фиг. (d) изображена физическая фотография объекта съемки, а на фиг. (e) — трехмерное изображение расстояния. Четко видно, что область окна c имеет определенное расстояние по глубине с областями A и b. Платформа обеспечивает 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, компактным размерам, долговечности и низкой стоимости, фотодетекторы APD могут обеспечивать на порядок более высокую скорость обнаружения, чем фотодетекторы PIN, поэтому в настоящее время в основном используются лавинные фотодетекторы в системах лидара.
В целом, благодаря быстрому развитию технологий получения InGaAs в стране и за рубежом, мы можем умело использовать MBE, MOCVD, LPE и другие технологии для получения высококачественных эпитаксиальных слоев InGaAs большой площади на подложке InP. Фотодетекторы на основе InGaAs демонстрируют низкий темновой ток и высокую чувствительность: минимальный темновой ток составляет менее 0,75 пА/мкм², максимальная чувствительность достигает 0,57 А/Вт, а также они обладают быстрым переходным откликом (порядка пикосекунд). Будущее развитие фотодетекторов на основе InGaAs будет сосредоточено на следующих двух аспектах: (1) выращивание эпитаксиального слоя InGaAs непосредственно на кремниевой подложке. В настоящее время большинство микроэлектронных устройств на рынке основаны на кремнии, и последующее интегрированное развитие 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 с длиной волны 1550 нм уже отработана, а расширенный диапазон длин волн (2,0 ~ 2,5) мкм является перспективным направлением исследований. С увеличением содержания компонентов In несоответствие кристаллической решетки между подложкой InP и эпитаксиальным слоем InGaAs приведет к более серьезным дислокациям и дефектам, поэтому необходимо оптимизировать параметры технологического процесса изготовления устройств, уменьшить дефекты решетки и снизить темновой ток устройства.
Дата публикации: 06 мая 2024 г.