СтруктураInGaAs фотодетектор
Од 1980-их, истраживачи у земљи и иностранству проучавају структуру InGaAs фотодетектора, који су углавном подељени у три типа. То су InGaAs метал-полупроводник-метал фотодетектор (MSM-PD), InGaAs PIN фотодетектор (PIN-PD) и InGaAs лавински фотодетектор (APD-PD). Постоје значајне разлике у процесу израде и цени InGaAs фотодетектора са различитим структурама, а постоје и велике разлике у перформансама уређаја.
InGaAs метал-полупроводник-металфотодетектор, приказана на слици (а), је посебна структура заснована на Шоткијевом споју. Године 1992, Ши и др. су користили технологију нископритисне метал-органске епитаксије у парној фази (LP-MOVPE) за узгој епитаксијских слојева и припремили InGaAs MSM фотодетектор, који има високу осетљивост од 0,42 A/W на таласној дужини од 1,3 μm и тамну струју нижу од 5,6 pA/μm² на 1,5 V. Године 1996, Жанг и др. су користили епитаксију молекуларног снопа у гасној фази (GSMBE) за узгој епитаксијског слоја InAlAs-InGaAs-InP. Слој InAlAs је показао високе карактеристике отпорности, а услови раста су оптимизовани мерењем дифракције X-зрака, тако да је неусклађеност решетке између слојева InGaAs и InAlAs била у опсегу од 1×10⁻³. Ово резултира оптимизованим перформансама уређаја са струјом таме испод 0,75 pA/μm² на 10 V и брзим прелазним одзивом до 16 ps на 5 V. У целини, фотодетектор са MSM структуром је једноставан и лак за интеграцију, показујући ниску струју таме (реда величине pA), али метална електрода ће смањити ефективну површину апсорпције светлости уређаја, тако да је одзив нижи него код других структура.
InGaAs PIN фотодетектор убацује унутрашњи слој између P-типа контактног слоја и N-типа контактног слоја, као што је приказано на слици (б), што повећава ширину области осиромашења, чиме зрачи више електрон-шупљинских парова и формира већу фотострују, тако да има одличне перформансе проводљивости електрона. Године 2007, А. Полочек и др. користили су MBE за узгој нискотемпературног баферског слоја како би побољшали храпавост површине и превазишли неусклађеност решетке између Si и InP. MOCVD је коришћен за интеграцију InGaAs PIN структуре на InP подлогу, а одзив уређаја је био око 0,57 A/W. Године 2011, Војна истраживачка лабораторија (ALR) користила је PIN фотодетекторе за проучавање liDAR снимача за навигацију, избегавање препрека/судара и детекцију/идентификацију циљева кратког домета за мала беспилотна копнена возила, интегрисаног са јефтиним микроталасним појачавачем чипа који је значајно побољшао однос сигнал-шум InGaAs PIN фотодетектора. На основу тога, 2012. године, ALR је користио овај liDAR снимач за роботе, са дометом детекције већим од 50 м и резолуцијом од 256 × 128.
InGaAsфотодетектор лавинеје врста фотодетектора са појачањем, чија је структура приказана на слици (ц). Пар електрон-шупљина добија довољно енергије под дејством електричног поља унутар региона удвостручавања, тако да се судари са атомом, генерише нове парове електрон-шупљина, формира ефекат лавине и умножи неравнотежне носиоце у материјалу. Године 2013, Џорџ М. је користио МБЕ за узгој легура InGaAs и InAlAs са усклађеном решетком на InP подлози, користећи промене у саставу легуре, дебљини епитаксијалног слоја и допирање како би модулисао енергију носилаца како би максимизирао јонизацију електрошока, а минимизирао јонизацију шупљина. При еквивалентном појачању излазног сигнала, АПД показује нижи шум и нижу тамну струју. Године 2016, Сун Ђианфенг и др. су направили сет експерименталне платформе за активно ласерско снимање од 1570 нм засноване на InGaAs лавинском фотодетектору. Унутрашње колоАПД фотодетекторпримао је одјеке и директно емитовао дигиталне сигнале, чинећи цео уређај компактним. Експериментални резултати су приказани на сликама (д) и (е). Слика (д) је физичка фотографија циља снимања, а слика (е) је тродимензионална слика удаљености. Јасно се може видети да површина прозора површине ц има одређену дубинску удаљеност са површином А и б. Платформа остварује ширину импулса мању од 10 нс, енергију једног импулса (1 ~ 3) мЈ подесиву, угао поља пријемног сочива од 2°, фреквенцију понављања од 1 kHz, однос радног коефицијента детектора од око 60%. Захваљујући интерном појачању фотострује APD-а, брзом одзиву, компактној величини, издржљивости и ниској цени, APD фотодетектори могу бити за ред величине већи у стопи детекције од PIN фотодетектора, тако да тренутни мејнстрим лиДАР углавном доминирају лавински фотодетектори.
Генерално, са брзим развојем технологије припреме InGaAs у земљи и иностранству, можемо вешто користити MBE, MOCVD, LPE и друге технологије за припрему висококвалитетног InGaAs епитаксијалног слоја велике површине на InP подлози. InGaAs фотодетектори показују ниску струју таме и висок одзив, најнижа струја таме је нижа од 0,75 pA/μm², максимална брзина одзива је до 0,57 A/W, и имају брз пролазни одзив (реда величине ps). Будући развој InGaAs фотодетектора ће се фокусирати на следећа два аспекта: (1) InGaAs епитаксијални слој се директно узгаја на Si подлози. Тренутно, већина микроелектронских уређаја на тржишту је базирана на Si, а накнадни интегрисани развој InGaAs и Si је општи тренд. Решавање проблема као што су неусклађеност решетке и разлика у коефицијенту термичког ширења је кључно за проучавање InGaAs/Si; (2) Технологија таласне дужине од 1550 nm је зрела, а продужена таласна дужина (2,0 ~ 2,5) μm је будући правац истраживања. Са повећањем In компоненти, неусклађеност решетке између InP подлоге и InGaAs епитаксијалног слоја довешће до озбиљнијих дислокација и дефеката, па је неопходно оптимизовати процесне параметре уређаја, смањити дефекте решетке и смањити тамну струју уређаја.
Време објаве: 06. мај 2024.