СтруктураФотодетектор на основе InGaAs
Начиная с 1980-х годов исследователи изучают структуру фотодетекторов на основе InGaAs, которые можно разделить на три основных типа: InGaAs, металл-полупроводник-металл.фотодетекторы(MSM-PD), InGaAsPIN-фотодетекторы(PIN-PD) и InGaAsлавинные фотодетекторы(APD-PD). Существуют значительные различия в процессе производства и стоимости фотодетекторов InGaAs с различными структурами, а также значительные различия в характеристиках устройств.
На рисунке показана принципиальная схема структуры металл-полупроводникового фотодетектора на основе InGaAs, представляющего собой особую структуру на основе перехода Шоттки. В 1992 году Ши и др. использовали технологию низкотемпературной металлоорганической парофазной эпитаксии (LP-MOVPE) для выращивания эпитаксиальных слоев и изготовления фотодетекторов на основе InGaAs MSM. Устройство обладает высокой чувствительностью 0,42 А/Вт на длине волны 1,3 мкм и током утечки менее 5,6 пА/мкм² при 1,5 В. В 1996 году исследователи использовали газофазную молекулярно-лучевую эпитаксию (GSMBE) для выращивания эпитаксиальных слоев InAlAs, InGaAs и InP, которые продемонстрировали высокие характеристики удельного сопротивления. Условия роста были оптимизированы с помощью рентгенодифракционных измерений, в результате чего было достигнуто несоответствие кристаллической решетки между слоями InGaAs и InAlAs в диапазоне 1 × 10⁻³. В результате были оптимизированы характеристики устройства: темновой ток составил менее 0,75 пА/мкм² при 10 В, а переходный процесс — 16 пс при 5 В. В целом, фотодетектор на основе структуры MSM имеет простую и легко интегрируемую структуру, демонстрируя более низкий темновой ток (на уровне пА), но металлический электрод уменьшает эффективную площадь поглощения света устройством, что приводит к более низкой чувствительности по сравнению с другими структурами.
Фотодетектор InGaAs PIN имеет собственный слой, вставленный между контактными слоями P-типа и N-типа, как показано на рисунке, что увеличивает ширину обедненной области, тем самым излучая больше электронно-дырочных пар и формируя больший фототок, демонстрируя, таким образом, превосходную электронную проводимость. В 2007 году исследователи использовали MBE для выращивания низкотемпературных буферных слоев, улучшая шероховатость поверхности и преодолевая несоответствие кристаллической решетки между Si и InP. Они интегрировали структуры InGaAs PIN на подложках InP с использованием MOCVD, и чувствительность устройства составила приблизительно 0,57 А/Вт. В 2011 году исследователи использовали PIN-фотодетекторы для разработки устройства ближнего действия LiDAR для навигации, предотвращения столкновений и обнаружения/распознавания целей небольшими беспилотными наземными транспортными средствами. Устройство было интегрировано с недорогим микросхемой микроволнового усилителя, что значительно улучшило отношение сигнал/шум фотодетекторов InGaAs PIN. На этой основе в 2012 году исследователи применили это устройство LiDAR к роботам, обеспечив дальность обнаружения более 50 метров и разрешение, увеличенное до 256 × 128.
Лавинный фотодетектор на основе InGaAs — это тип фотодетектора с усилением, как показано на структурной схеме. Электронно-дырочные пары получают достаточную энергию под действием электрического поля внутри области удвоения и сталкиваются с атомами, генерируя новые электронно-дырочные пары, создавая лавинный эффект и удваивая неравновесные носители заряда в материале. В 2013 году исследователи использовали метод молекулярно-пучковой эпитаксии (МБЭ) для выращивания сплавов InGaAs и InAlAs с согласованной кристаллической решеткой на подложках InP, модулируя энергию носителей путем изменения состава сплава, толщины эпитаксиального слоя и легирования, максимизируя электрошоковую ионизацию и минимизируя дырочную ионизацию. При эквивалентном усилении выходного сигнала лавинный фотодетектор демонстрирует низкий уровень шума и меньший темновой ток. В 2016 году исследователи создали экспериментальную платформу для активной визуализации с лазером 1570 нм на основе лавинных фотодетекторов InGaAs. Внутренняя схемаФотодетектор APDПрием эхо-сигналов и прямая передача цифровых сигналов делают все устройство компактным. Результаты экспериментов показаны на рисунках (d) и (e). Рисунок (d) — это физическое фото объекта визуализации, а рисунок (e) — трехмерное изображение расстояния. Четко видно, что область окна в зоне C имеет определенное расстояние по глубине от зон A и B. Эта платформа обеспечивает ширину импульса менее 10 нс, регулируемую энергию одиночного импульса (1-3) мДж, угол поля зрения 2° для передающей и приемной линз, частоту повторения 1 кГц и коэффициент заполнения детектора приблизительно 60%. Благодаря внутреннему усилению фототока, быстрому отклику, компактным размерам, долговечности и низкой стоимости APD, фотодетекторы на основе APD могут обеспечить скорость обнаружения на порядок выше, чем у PIN-фотодетекторов. Поэтому в настоящее время в основном в лазерных радарах используются лавинные фотодетекторы.
Дата публикации: 11 февраля 2026 г.