СтруктураInGaAs фотодетектор
З 1980-х років дослідники в країні та за кордоном вивчають структуру фотодетекторів InGaAs, які в основному поділяються на три типи. Це фотодетектор InGaAs метал-напівпровідник-метал (MSM-PD), PIN-фотодетектор InGaAs (PIN-PD) та лавинний фотодетектор InGaAs (APD-PD). Існують суттєві відмінності в процесі виготовлення та вартості фотодетекторів InGaAs з різними структурами, а також великі відмінності в продуктивності пристроїв.
Метал-напівпровідник-метал InGaAsфотодетектор, показана на рисунку (а), являє собою спеціальну структуру на основі переходу Шотткі. У 1992 році Ши та ін. використали технологію низькотемпературної металоорганічної парофазної епітаксії (LP-MOVPE) для вирощування епітаксійних шарів та підготували фотодетектор InGaAs MSM, який має високу чутливість 0,42 А/Вт на довжині хвилі 1,3 мкм та темновий струм нижче 5,6 пА/мкм² при 1,5 В. У 1996 році Чжан та ін. використали газофазну молекулярно-променеву епітаксію (GSMBE) для вирощування епітаксійного шару InAlAs-InGaAs-InP. Шар InAlAs продемонстрував високі характеристики питомого опору, а умови росту були оптимізовані за допомогою рентгенівської дифракції, так що невідповідність кристалічних решіток між шарами InGaAs та InAlAs була в межах 1×10⁻³. Це призводить до оптимізованої продуктивності пристрою з темновим струмом нижче 0,75 пА/мкм² при 10 В та швидкою перехідною характеристикою до 16 пс при 5 В. Загалом, фотодетектор на основі структури MSM простий та легко інтегрується, демонструючи низький темновий струм (порядку пА), але металевий електрод зменшує ефективну площу поглинання світла пристроєм, тому характеристика нижча, ніж у інших структур.
PIN-фотодетектор InGaAs вставляє власний шар між контактним шаром P-типу та контактним шаром N-типу, як показано на рисунку (b), що збільшує ширину області виснаження, таким чином випромінюючи більше електрон-діркових пар та формуючи більший фотострум, завдяки чому він має чудові характеристики електронної провідності. У 2007 році А.Полочек та ін. використали MBE для вирощування низькотемпературного буферного шару з метою покращення шорсткості поверхні та подолання невідповідності кристалічної решітки між Si та InP. MOCVD був використаний для інтеграції PIN-структури InGaAs на підкладку InP, і чутливість пристрою становила близько 0,57 Å/Вт. У 2011 році Армійна дослідницька лабораторія (ALR) використала PIN-фотодетектори для дослідження лідарного зображення для навігації, уникнення перешкод/зіткнень та виявлення/ідентифікації цілей на ближній відстані для невеликих безпілотних наземних транспортних засобів, інтегрованого з недорогим мікрохвильовим підсилювачем, який значно покращив співвідношення сигнал/шум PIN-фотодетектора InGaAs. На цій підставі, у 2012 році, ALR використовувала цей лідарний тепловізор для роботів, з дальністю виявлення понад 50 м та роздільною здатністю 256 × 128.
InGaAsлавинний фотодетектор– це різновид фотодетектора з коефіцієнтом посилення, структура якого показана на рисунку (c). Електронно-діркова пара отримує достатньо енергії під дією електричного поля всередині області подвоєння, щоб зіткнутися з атомом, генерувати нові електрон-діркові пари, формувати ефект лавини та множити нерівноважні носії заряду в матеріалі. У 2013 році Джордж М. використав метод молекулярно-емісійної епітеліальної епітаксії (MBE) для вирощування сплавів InGaAs та InAlAs з узгодженою ґраткою на підкладці InP, використовуючи зміни у складі сплаву, товщині епітаксійного шару та легування для модуляції енергії носіїв, щоб максимізувати іонізацію електрошоком та мінімізувати іонізацію дірок. При еквівалентному коефіцієнті посилення вихідного сигналу, лавинний фотодіодний фотодіод демонструє нижчий шум та нижчий темновий струм. У 2016 році Сунь Цзяньфен та ін. створили комплект експериментальної платформи для лазерної активної візуалізації з довжиною хвилі 1570 нм на основі лавинного фотодетектора InGaAs. Внутрішня схемаФотодетектор APDприймати відлуння та безпосередньо виводити цифрові сигнали, що робить весь пристрій компактним. Результати експериментів показано на рис. (d) та (e). Рисунок (d) – це фізична фотографія цілі зображення, а рисунок (e) – тривимірне зображення відстані. Чітко видно, що область вікна області c має певну глибину відстані з областями A та b. Платформа реалізує ширину імпульсу менше 10 нс, енергію одного імпульсу (1 ~ 3) мДж, що регулюється, кут поля приймальної лінзи 2°, частоту повторення 1 кГц, коефіцієнт заповнення детектора близько 60%. Завдяки внутрішньому посиленню фотоструму APD, швидкій реакції, компактним розмірам, довговічності та низькій вартості, фотодетектори APD можуть мати на порядок вищу швидкість виявлення, ніж PIN-фотодетектори, тому сучасний основний лідарний детектор в основному складається з лавинних фотодетекторів.
Загалом, завдяки швидкому розвитку технології отримання InGaAs в країні та за кордоном, ми можемо вміло використовувати технології MBE, MOCVD, LPE та інші для отримання великої площі високоякісного епітаксіального шару InGaAs на підкладці InP. Фотодетектори InGaAs демонструють низький темновий струм і високу чутливість, найнижчий темновий струм нижче 0,75 пА/мкм², максимальна чутливість до 0,57 А/Вт і мають швидку перехідну характеристику (порядку ps). Майбутній розвиток фотодетекторів InGaAs буде зосереджений на таких двох аспектах: (1) Епітаксіальний шар InGaAs вирощується безпосередньо на кремнієвій підкладці. Наразі більшість мікроелектронних пристроїв на ринку виготовлені на основі Si, і подальший інтегрований розвиток на основі InGaAs та Si є загальною тенденцією. Вирішення таких проблем, як невідповідність кристалічних ґраток та різниця коефіцієнтів теплового розширення, має вирішальне значення для дослідження 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 кількості компонентів In, невідповідність кристалічної решітки між підкладкою InP та епітаксійним шаром InGaAs призведе до серйозніших дислокацій та дефектів, тому необхідно оптимізувати параметри процесу виготовлення пристрою, зменшити дефекти кристалічної решітки та зменшити темновий струм пристрою.
Час публікації: 06 травня 2024 р.