InGaAs-fotodetektorin rakenne

RakenneInGaAs-fotodetektori

1980-luvulta lähtien tutkijat kotimaassa ja ulkomailla ovat tutkineet InGaAs-fotodetektorien rakennetta, ja ne jaetaan pääasiassa kolmeen tyyppiin. Ne ovat InGaAs-metalli-puolijohde-metalli-fotodetektori (MSM-PD), InGaAs-PIN-fotodetektori (PIN-PD) ja InGaAs-lumivyöryfotodetektori (APD-PD). Eri rakenteiden InGaAs-fotodetektorien valmistusprosessissa ja kustannuksissa on merkittäviä eroja, ja myös laitteiden suorituskyvyssä on suuria eroja.

InGaAs-metalli-puolijohde-metallivaloilmaisinKuvassa (a) esitetty rakenne on Schottky-liitokseen perustuva erikoisrakenne. Vuonna 1992 Shi et al. käyttivät matalapaineista metalli-orgaanista höyryfaasiepitaksitekniikkaa (LP-MOVPE) epitaksikerrosten kasvattamiseen ja valmistivat InGaAs MSM -fotodetektorin, jonka korkea vasteaika on 0,42 A/W aallonpituudella 1,3 μm ja pimeävirta alle 5,6 pA/μm² 1,5 V:n jännitteellä. Vuonna 1996 zhang et al. käyttivät kaasufaasimolekyylisuihkuepitaksiaa (GSMBE) InAlAs-InGaAs-InP-epitaksikerroksen kasvattamiseen. InAlAs-kerroksella oli korkea resistiivisyys, ja kasvuolosuhteet optimoitiin röntgendiffraktiomittauksella siten, että InGaAs- ja InAlAs-kerrosten välinen hilaepäsuhta oli 1×10⁻³:n rajoissa. Tämä johtaa laitteen optimoituun suorituskykyyn, jossa pimeävirta on alle 0,75 pA/μm² 10 V:n jännitteellä ja nopea transienttivaste jopa 16 ps 5 V:n jännitteellä. Kaiken kaikkiaan MSM-rakenteen omaava fotodetektori on yksinkertainen ja helppo integroida, ja sen pimeävirta on alhainen (pA-luokkaa), mutta metallielektrodi pienentää laitteen tehokasta valon absorptiopinta-alaa, joten vaste on pienempi kuin muilla rakenteilla.

InGaAs PIN -fotodetektori lisää sisäisen kerroksen P-tyypin kontaktikerroksen ja N-tyypin kontaktikerroksen väliin, kuten kuvassa (b) on esitetty. Tämä suurentaa tyhjennysalueen leveyttä, jolloin se säteilee enemmän elektroni-aukko-pareja ja muodostaa suuremman fotovirran, joten sillä on erinomainen elektroninjohtavuus. Vuonna 2007 A.Poloczek et al. käyttivät MBE:tä kasvattaakseen matalan lämpötilan puskurikerroksen parantaakseen pinnan karheutta ja voittaakseen Si:n ja InP:n välisen hila-epäsuhtaisuuden. MOCVD:tä käytettiin integroimaan InGaAs PIN -rakenne InP-substraatille, ja laitteen vasteaika oli noin 0,57 A/W. Vuonna 2011 armeijan tutkimuslaboratorio (ALR) käytti PIN-fotodetektoreita tutkiakseen liDAR-kuvantajaa navigointiin, esteiden/törmäysten välttämiseen ja lyhyen kantaman kohteiden havaitsemiseen/tunnistamiseen pienissä miehittämättömissä maa-ajoneuvoissa. Integroituna edulliseen mikroaaltovhvistinpiiriin, joka paransi merkittävästi InGaAs PIN -fotodetektorin signaali-kohinasuhdetta. Tämän perusteella ALR käytti vuonna 2012 robottien liDAR-kuvantamiseen tarkoitettua laitetta, jonka tunnistusetäisyys oli yli 50 m ja resoluutio 256 × 128.

InGaAslumivyöryvaloilmaisinon eräänlainen vahvistuksella varustettu fotodetektori, jonka rakenne on esitetty kuvassa (c). Elektroni-aukko-pari saa riittävästi energiaa sähkökentän vaikutuksesta kaksinkertaistumisalueen sisällä törmätäkseen atomiin, tuottaakseen uusia elektroni-aukko-pareja, muodostaakseen lumivyöryefektin ja moninkertaistaakseen materiaalin epätasapainossa olevat varauksenkuljettajat. Vuonna 2013 George M käytti MBE:tä kasvattaakseen hila-sovitettuja InGaAs- ja InAlAs-seoksia InP-substraatille käyttämällä muutoksia seoksen koostumuksessa, epitaksiaalisen kerroksen paksuudessa ja dopingia moduloituun varauksenkuljettajien energiaan maksimoidakseen sähköshokki-ionisaation ja minimoidakseen aukkojen ionisaation. Vastaavalla lähtösignaalin vahvistuksella APD osoittaa alhaisempaa kohinaa ja alhaisempaa pimeävirtaa. Vuonna 2016 Sun Jianfeng et al. rakensivat sarjan 1570 nm:n laseraktiivisen kuvantamisen kokeellista alustaa, joka perustuu InGaAs-lumivyöryfotodetektoriin. Sisäinen piiriAPD-valoilmaisinvastaanottaa kaikuja ja lähettää suoraan digitaalisia signaaleja, mikä tekee koko laitteesta kompaktin. Kokeelliset tulokset on esitetty kuvissa (d) ja (e). Kuva (d) on fyysinen valokuva kuvauskohteesta ja kuva (e) on kolmiulotteinen etäisyyskuva. Voidaan selvästi nähdä, että alueen c ikkuna-alueella on tietty syvyysetäisyys alueisiin A ja b nähden. Alusta toteuttaa alle 10 ns:n pulssinleveyden, säädettävän yksittäisen pulssin energian (1 ~ 3) mJ, vastaanottolinssin kentän kulman 2°, toistotaajuuden 1 kHz ja ilmaisimen käyttösuhteen noin 60%. APD:n sisäisen valovirran vahvistuksen, nopean vasteen, kompaktin koon, kestävyyden ja alhaisen hinnan ansiosta APD-fotoilmaisimien havaitsemisnopeus voi olla suuruusluokkaa korkeampi kuin PIN-fotoilmaisimien, joten nykyistä valtavirran liDAR-järjestelmää hallitsevat pääasiassa lumivyöryfotoilmaisimet.

Kaiken kaikkiaan InGaAs-valmistusteknologian nopean kehityksen ansiosta sekä kotimaassa että ulkomailla voimme taitavasti käyttää MBE:tä, MOCVD:tä, LPE:tä ja muita tekniikoita laaja-alaisten, korkealaatuisten InGaAs-epitaksiaalikerrosten valmistukseen InP-alustalle. InGaAs-fotodetektoreilla on alhainen pimeävirta ja korkea vasteaika, pienin pimeävirta on alle 0,75 pA/μm², suurin vasteaika on jopa 0,57 A/W ja niillä on nopea transienttivaste (ps-kertaluku). InGaAs-fotodetektorien tuleva kehitys keskittyy seuraaviin kahteen näkökohtaan: (1) InGaAs-epitaksiaalikerros kasvatetaan suoraan piisubstraatille. Tällä hetkellä suurin osa markkinoilla olevista mikroelektroniikkalaitteista on piipohjaisia, ja InGaAs- ja piipohjaisten laitteiden integroitu kehitys on yleinen trendi. Ongelmien, kuten hilaepäsopivuuden ja lämpölaajenemiskerrointen erojen, ratkaiseminen on ratkaisevan tärkeää InGaAs/Si-tutkimuksessa; (2) 1550 nm:n aallonpituusteknologia on kypsä, ja pidennetty aallonpituus (2,0 ~ 2,5) μm on tulevaisuuden tutkimussuunta. In-komponenttien lisääntyessä InP-substraatin ja InGaAs-epitaksiaalikerroksen välinen hila-epäsuhta johtaa vakavampiin dislokaatioihin ja virheisiin, joten on tarpeen optimoida laitteen prosessiparametrit, vähentää hilavirheitä ja pienentää laitteen pimeävirtaa.