Будова фотоприймача InGaAs

СтруктураФотодетектор InGaAs

З 1980-х років дослідники в країні та за кордоном вивчали структуру фотодетекторів InGaAs, які в основному поділяються на три типи. Це фотодетектор метал-напівпровідник-метал InGaAs (MSM-PD), PIN-фотодетектор InGaAs (PIN-PD) і лавинний фотодетектор InGaAs (APD-PD). Існують значні відмінності в процесі виготовлення та вартості фотодетекторів InGaAs з різними структурами, а також є великі відмінності в продуктивності пристроїв.

Метал-напівпровідник-метал InGaAsфотодетектор, показана на малюнку (а), є спеціальною структурою на основі переходу Шотткі. У 1992 році Shi et al. використовували технологію металоорганічної епітаксії з парової фази низького тиску (LP-MOVPE) для вирощування шарів епітаксії та підготували фотодетектор InGaAs MSM, який має високу чутливість 0,42 А/Вт при довжині хвилі 1,3 мкм і темновий струм нижче 5,6 пА/ мкм² при 1,5 В. У 1996 р. zhang et al. використовували газофазну молекулярно-променеву епітаксію (GSMBE) для вирощування шару епітаксії InAlAs-InGaAs-InP. Шар InAlAs продемонстрував високі характеристики питомого опору, а умови росту були оптимізовані за допомогою рентгенівських дифракційних вимірювань, так що невідповідність гратки між шарами InGaAs та InAlAs була в межах 1×10⁻³. Це забезпечує оптимізовану продуктивність пристрою з темновим струмом нижче 0,75 пА/мкм² при 10 В і швидкою перехідною реакцією до 16 пс при 5 В. Загалом структурний фотодетектор MSM простий і легкий для інтеграції, демонструючи низький темновий струм (пА). порядок), але металевий електрод зменшить ефективну площу поглинання світла пристрою, тому відгук нижчий, ніж інші структури.

Фотодетектор PIN на InGaAs вставляє власний шар між контактним шаром P-типу та контактним шаром N-типу, як показано на малюнку (b), що збільшує ширину виснаженої області, таким чином випромінюючи більше електронно-діркових пар і утворюючи більший фотострум, тому він має чудові характеристики електронної провідності. У 2007 році A.Poloczek та ін. використовував MBE для вирощування низькотемпературного буферного шару для покращення шорсткості поверхні та подолання невідповідності гратки між Si та InP. MOCVD використовувався для інтеграції PIN-структури InGaAs на підкладці InP, і чутливість пристрою становила приблизно 0,57 A/Вт. У 2011 році Армійська науково-дослідна лабораторія (ALR) використовувала PIN-фотодетектори для дослідження зображення liDAR для навігації, уникнення перешкод/зіткнень і виявлення/ідентифікації цілей малої дальності для невеликих безпілотних наземних транспортних засобів, інтегрованих із недорогим чіпом мікрохвильового підсилювача, який значно покращив співвідношення сигнал/шум фотодетектора PIN InGaAs. На цій основі в 2012 році ALR використовував цей лідарний тепловізор для роботів із дальністю виявлення понад 50 м і роздільною здатністю 256 × 128.

InGaAsлавинний фотодетекторє різновидом фотодетектора з посиленням, структура якого показана на малюнку (в). Електронно-діркова пара отримує достатньо енергії під дією електричного поля всередині області подвоєння, щоб, стикаючись з атомом, генерувати нові електронно-діркові пари, формувати лавинний ефект і розмножувати нерівноважні носії в матеріалі. . У 2013 році Джордж М використовував MBE для вирощування сплавів InGaAs та InAlAs, узгоджених із решіткою, на підкладці InP, використовуючи зміни складу сплаву, товщини епітаксійного шару та допування для модульованої енергії носія, щоб максимізувати електрошокову іонізацію при мінімізації діркової іонізації. При еквівалентному посиленні вихідного сигналу APD показує менший шум і менший темновий струм. У 2016 році Sun Jianfeng та ін. побудував набір експериментальної платформи лазерної активної візуалізації 1570 нм на основі лавинного фотодетектора InGaAs. Внутрішня схема вФотодетектор APDотримує відлуння та безпосередньо виводить цифрові сигнали, роблячи весь пристрій компактним. Експериментальні результати показані на фіг. (d) і (e). На малюнку (d) зображено фізичну фотографію об’єкта візуалізації, а на малюнку (e) — тривимірне зображення на відстані. Можна чітко бачити, що область вікна області c має певну відстань по глибині з областями A і b. Платформа реалізує ширину імпульсу менше 10 нс, регульовану енергію одного імпульсу (1 ~ 3) мДж, кут поля прийому лінзи 2°, частоту повторення 1 кГц, коефіцієнт завантаження детектора близько 60%. Завдяки внутрішньому посиленню фотоструму APD, швидкому відгуку, компактному розміру, довговічності та низькій вартості, фотодетектори APD можуть бути на порядок вищими за швидкістю виявлення, ніж фотодетектори PIN, тому в сучасних основних liDAR в основному домінують лавинні фотодетектори.

Загалом, із швидким розвитком технології підготовки InGaAs в країні та за кордоном, ми можемо вміло використовувати MBE, MOCVD, LPE та інші технології для підготовки високоякісного епітаксійного шару InGaAs великої площі на підкладці InP. Фотодетектори InGaAs демонструють низький темновий струм і високу чутливість, найменший темновий струм менше 0,75 пА/мкм², максимальна чутливість до 0,57 А/Вт і має швидку перехідну характеристику (порядок ps). Майбутня розробка фотодетекторів InGaAs буде зосереджена на наступних двох аспектах: (1) епітаксіальний шар InGaAs безпосередньо вирощується на підкладці Si. В даний час більшість мікроелектронних пристроїв на ринку засновані на Si, і подальший інтегрований розвиток InGaAs і Si є загальною тенденцією. Вирішення таких проблем, як невідповідність граток і різниця в коефіцієнтах теплового розширення, має вирішальне значення для вивчення InGaAs/Si; (2) Технологія довжини хвилі 1550 нм є зрілою, а розширена довжина хвилі (2,0 ~ 2,5) мкм є майбутнім напрямком досліджень. Зі збільшенням компонентів In невідповідність гратки між підкладкою InP та епітаксійним шаром InGaAs призведе до більш серйозних дислокацій і дефектів, тому необхідно оптимізувати параметри процесу пристрою, зменшити дефекти решітки та зменшити темновий струм пристрою.