Структура ИнГаАс фотодетектора

СтруктураИнГаАс фотодетектор

Од 1980-их, истраживачи у земљи и иностранству проучавали су структуру ИнГаАс фотодетектора, који су углавном подељени у три типа. То су фотодетектор ИнГаАс метал-полупроводник-метал (МСМ-ПД), ИнГаАс ПИН фотодетектор (ПИН-ПД) и ИнГаАс лавински фотодетектор (АПД-ПД). Постоје значајне разлике у процесу производње и цени ИнГаАс фотодетектора са различитим структурама, а постоје и велике разлике у перформансама уређаја.

ИнГаАс метал-полупроводник-металфотодетектор, приказан на слици (а), је посебна структура заснована на Шоткијевом споју. 1992. године, Схи ет ал. користио је технологију епитаксије у парној фази ниског притиска (ЛП-МОВПЕ) за узгој слојева епитаксије и припремио ИнГаАс МСМ фотодетектор, који има висок одзив од 0,42 А/В на таласној дужини од 1,3 μм и тамну струју нижу од 5,6 пА/ μм² на 1,5 В. Године 1996, зханг ет ал. користио епитаксију молекуларног снопа у гасној фази (ГСМБЕ) за узгој слоја ИнАлАс-ИнГаАс-ИнП епитаксије. ИнАлАс слој је показао карактеристике високе отпорности, а услови раста су оптимизовани мерењем дифракције рендгенских зрака, тако да је неусклађеност решетке између слојева ИнГаАс и ИнАлАс била у опсегу од 1×10⁻³. Ово резултира оптимизованим перформансама уређаја са тамном струјом испод 0,75 пА/μм² на 10 В и брзим пролазним одзивом до 16 пс на 5 В. У целини, фотодетектор МСМ структуре је једноставан и лак за интеграцију, показујући ниску тамну струју (пА ред), али ће метална електрода смањити ефективну област апсорпције светлости уређаја, тако да је одзив нижи од других структура.

ИнГаАс ПИН фотодетектор убацује унутрашњи слој између контактног слоја П-типа и контактног слоја Н-типа, као што је приказано на слици (б), што повећава ширину области исцрпљивања, чиме се зрачи више парова електрон-рупа и формира већа фотоструја, тако да има одличне перформансе електронске проводљивости. У 2007. години, А.Полоцзек ет ал. користио је МБЕ за узгој пуферског слоја ниске температуре да би побољшао храпавост површине и превазишао неусклађеност решетке између Си и ИнП. МОЦВД је коришћен за интеграцију ИнГаАс ПИН структуре на ИнП супстрату, а одзив уређаја је био око 0,57 А/В. Године 2011. Лабораторија за истраживање војске (АЛР) користила је ПИН фотодетекторе за проучавање лиДАР имиџера за навигацију, избегавање препрека/судара и детекцију/идентификацију циљева кратког домета за мала беспилотна копнена возила, интегрисана са јефтиним микроталасним појачалом чипом који значајно побољшао однос сигнал-шум ИнГаАс ПИН фотодетектора. На основу тога, АЛР је 2012. године користио овај лиДАР имиџер за роботе, са дометом детекције већим од 50 м и резолуцијом од 256 × 128.

Тхе ИнГаАсфотодетектор лавинеје врста фотодетектора са појачањем, чија је структура приказана на слици (ц). Пар електрон-рупа добија довољно енергије под дејством електричног поља унутар подручја удвостручавања, тако да се судара са атомом, генерише нове парове електрон-рупа, формира ефекат лавине и умножава неравнотежне носиоце у материјалу. . У 2013. години, Џорџ М је користио МБЕ за узгој легура ИнГаАс и ИнАлАс усклађених са решетком на ИнП супстрату, користећи промене у саставу легуре, дебљини епитаксијалног слоја и допингу модулисане енергије носача како би се максимизирала јонизација електрошокова уз минимизирање јонизације рупа. На еквивалентном појачању излазног сигнала, АПД показује мањи шум и нижу тамну струју. У 2016, Сун Јианфенг ет ал. изградио сет експерименталне платформе за активно снимање ласером од 1570 нм засновану на ИнГаАс лавинском фотодетектору. Унутрашње коло одАПД фотодетекторприма ехо и директно емитује дигиталне сигнале, чинећи цео уређај компактним. Експериментални резултати су приказани на Сл. (д) и (е). Слика (д) је физичка фотографија мете за снимање, а слика (е) је тродимензионална слика удаљености. Јасно се може видети да површина прозора површине ц има одређену дубину са површинама А и б. Платформа остварује ширину импулса мању од 10 нс, подесиву енергију појединачног импулса (1 ~ 3) мЈ, угао поља за пријем сочива од 2°, фреквенцију понављања од 1 кХз, однос рада детектора око 60%. Захваљујући АПД-овом интерном појачању фотострује, брзом одзиву, компактној величини, издржљивости и ниској цени, АПД фотодетектори могу бити за ред величине већи у стопи детекције од ПИН фотодетектора, тако да тренутним маинстреам лиДАР-ом углавном доминирају лавински фотодетектори.

Све у свему, са брзим развојем технологије припреме ИнГаАс у земљи и иностранству, можемо вешто да користимо МБЕ, МОЦВД, ЛПЕ и друге технологије за припрему висококвалитетног ИнГаАс епитаксијалног слоја велике површине на ИнП супстрату. ИнГаАс фотодетектори показују ниску тамну струју и висок одзив, најнижа тамна струја је нижа од 0,75 пА/μм², максимални одзив је до 0,57 А/В, и имају брз пролазни одзив (пс ред). Будући развој ИнГаАс фотодетектора ће се фокусирати на следећа два аспекта: (1) ИнГаАс епитаксијални слој се директно узгаја на Си супстрату. Тренутно је већина микроелектронских уређаја на тржишту базирана на Си, а општи тренд је накнадни интегрисани развој ИнГаАс и Си базираних. Решавање проблема као што су неусклађеност решетке и разлика коефицијента топлотног ширења је кључно за проучавање ИнГаАс/Си; (2) Технологија таласне дужине од 1550 нм је зрела, а проширена таласна дужина (2,0 ~ 2,5) μм је будући правац истраживања. Са повећањем компоненти Ин, неусклађеност решетке између ИнП супстрата и ИнГаАс епитаксијалног слоја ће довести до озбиљнијих дислокација и дефеката, тако да је неопходно оптимизовати процесне параметре уређаја, смањити дефекте решетке и смањити тамну струју уређаја.