Δομή φωτοανιχνευτή InGaAs

Δομή τουΦωτοανιχνευτής InGaAs

Από τη δεκαετία του 1980, ερευνητές στο εσωτερικό και στο εξωτερικό έχουν μελετήσει τη δομή των φωτοανιχνευτών InGaAs, οι οποίοι χωρίζονται κυρίως σε τρεις τύπους. Είναι InGaAs φωτοανιχνευτής μετάλλων-Ημιαγωγών-μετάλλων (MSM-PD), InGaAs PIN Photodetector (PIN-PD) και InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD). Υπάρχουν σημαντικές διαφορές στη διαδικασία κατασκευής και στο κόστος των φωτοανιχνευτών InGaAs με διαφορετικές δομές, ενώ υπάρχουν επίσης μεγάλες διαφορές στην απόδοση της συσκευής.

Το InGaAs μέταλλο-ημιαγωγός-μέταλλοφωτοανιχνευτής, που φαίνεται στο σχήμα (α), είναι μια ειδική δομή που βασίζεται στη διασταύρωση Schottky. Το 1992, οι Shi et al. χρησιμοποίησε τεχνολογία χαμηλής πίεσης μεταλλικής-οργανικής φάσης ατμού (LP-MOVPE) για την ανάπτυξη στρωμάτων επιταξίας και ετοίμασε φωτοανιχνευτή MSM InGaAs, ο οποίος έχει υψηλή απόκριση 0,42 A/W σε μήκος κύματος 1,3 μm και σκοτεινό ρεύμα μικρότερο από 5,6 pA/ μm² σε 1,5 V. Το 1996, οι zhang et al. χρησιμοποίησε επιταξία μοριακής δέσμης αερίου φάσης (GSMBE) για να αναπτύξει το στρώμα επιταξίας InAlAs-InGaAs-InP. Το στρώμα InAlAs έδειξε χαρακτηριστικά υψηλής ειδικής αντίστασης και οι συνθήκες ανάπτυξης βελτιστοποιήθηκαν με μέτρηση περίθλασης ακτίνων Χ, έτσι ώστε η αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ των στρωμάτων InGaAs και InAlAs να ήταν εντός της περιοχής 1×10-3. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα βελτιστοποιημένη απόδοση συσκευής με σκοτεινό ρεύμα κάτω από 0,75 pA/μm² στα 10 V και γρήγορη μεταβατική απόκριση έως 16 ps στα 5 V. Συνολικά, ο φωτοανιχνευτής δομής MSM είναι απλός και εύκολος στην ενσωμάτωση, εμφανίζοντας χαμηλό σκοτεινό ρεύμα (pA παραγγελία), αλλά το μεταλλικό ηλεκτρόδιο θα μειώσει την αποτελεσματική περιοχή απορρόφησης φωτός της συσκευής, επομένως η απόκριση είναι χαμηλότερη από άλλες κατασκευές.

Ο φωτοανιχνευτής PIN InGaAs εισάγει ένα εγγενές στρώμα μεταξύ του στρώματος επαφής τύπου P και του στρώματος επαφής τύπου Ν, όπως φαίνεται στο σχήμα (β), το οποίο αυξάνει το πλάτος της περιοχής εξάντλησης, ακτινοβολώντας έτσι περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών και σχηματίζοντας ένα μεγαλύτερο φωτορεύμα, επομένως έχει εξαιρετική απόδοση αγωγιμότητας ηλεκτρονίων. Το 2007, οι A.Poloczek et al. χρησιμοποίησε το MBE για την ανάπτυξη ενός ρυθμιστικού στρώματος χαμηλής θερμοκρασίας για να βελτιώσει την τραχύτητα της επιφάνειας και να ξεπεράσει την αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ Si και InP. Το MOCVD χρησιμοποιήθηκε για την ενσωμάτωση της δομής PIN InGaAs στο υπόστρωμα InP και η απόκριση της συσκευής ήταν περίπου 0,57A /W. Το 2011, το Army Research Laboratory (ALR) χρησιμοποίησε φωτοανιχνευτές PIN για να μελετήσει μια συσκευή απεικόνισης liDAR για πλοήγηση, αποφυγή εμποδίων/σύγκρουσης και ανίχνευση/αναγνώριση στόχων μικρής εμβέλειας για μικρά μη επανδρωμένα οχήματα εδάφους, ενσωματωμένα με ένα χαμηλού κόστους τσιπ ενισχυτή μικροκυμάτων που βελτίωσε σημαντικά την αναλογία σήματος προς θόρυβο του φωτοανιχνευτή PIN InGaAs. Σε αυτή τη βάση, το 2012, η ​​ALR χρησιμοποίησε αυτή τη συσκευή απεικόνισης liDAR για ρομπότ, με εμβέλεια ανίχνευσης μεγαλύτερη από 50 m και ανάλυση 256 × 128.

Το InGaAsφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδαςείναι ένα είδος φωτοανιχνευτή με κέρδος, η δομή του οποίου φαίνεται στο σχήμα (γ). Το ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών αποκτά αρκετή ενέργεια υπό τη δράση του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στην περιοχή διπλασιασμού, έτσι ώστε να συγκρουστεί με το άτομο, να δημιουργήσει νέα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, να σχηματίσει ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας και να πολλαπλασιάσει τους φορείς μη ισορροπίας στο υλικό . Το 2013, ο George M χρησιμοποίησε MBE για να αναπτύξει κράματα InGaAs και InAlAs σε ένα υπόστρωμα InP, χρησιμοποιώντας αλλαγές στη σύνθεση του κράματος, το πάχος της επιταξιακής στρώσης και το ντόπινγκ σε διαμορφωμένη ενέργεια φορέα για να μεγιστοποιήσει τον ιονισμό ηλεκτροσόκ ελαχιστοποιώντας ταυτόχρονα τον ιονισμό οπών. Στο ισοδύναμο κέρδος σήματος εξόδου, το APD εμφανίζει χαμηλότερο θόρυβο και χαμηλότερο σκοτεινό ρεύμα. Το 2016, οι Sun Jianfeng et al. κατασκεύασε ένα σετ πειραματικής πλατφόρμας ενεργής απεικόνισης λέιζερ 1570 nm που βασίζεται στον φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας InGaAs. Το εσωτερικό κύκλωμα τουΦωτοανιχνευτής APDέλαβε ηχώ και εξάγει απευθείας ψηφιακά σήματα, κάνοντας ολόκληρη τη συσκευή συμπαγή. Τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στο ΣΧ. (δ) και (ε). Το σχήμα (δ) είναι μια φυσική φωτογραφία του στόχου απεικόνισης και το σχήμα (ε) είναι μια τρισδιάστατη εικόνα απόστασης. Φαίνεται καθαρά ότι η περιοχή παραθύρου της περιοχής c έχει μια ορισμένη απόσταση βάθους με την περιοχή Α και β. Η πλατφόρμα πραγματοποιεί πλάτος παλμού μικρότερο από 10 ns, ενέργεια ενός παλμού (1 ~ 3) mJ ρυθμιζόμενη, πεδίο φακού λήψης Γωνία 2°, συχνότητα επανάληψης 1 kHz, αναλογία λειτουργίας ανιχνευτή περίπου 60%. Χάρη στο εσωτερικό κέρδος φωτορεύματος του APD, τη γρήγορη απόκριση, το συμπαγές μέγεθος, την ανθεκτικότητα και το χαμηλό κόστος, οι φωτοανιχνευτές APD μπορούν να είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότερος σε ποσοστό ανίχνευσης από τους φωτοανιχνευτές PIN, έτσι το τρέχον mainstream liDAR κυριαρχείται κυρίως από φωτοανιχνευτές χιονοστιβάδας.

Συνολικά, με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας παρασκευής InGaAs στο εσωτερικό και στο εξωτερικό, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε επιδέξια τεχνολογίες MBE, MOCVD, LPE και άλλες τεχνολογίες για να προετοιμάσουμε επιταξιακή στρώση InGaAs υψηλής ποιότητας μεγάλης περιοχής σε υπόστρωμα InP. Οι φωτοανιχνευτές InGaAs παρουσιάζουν χαμηλό σκοτεινό ρεύμα και υψηλή απόκριση, το χαμηλότερο σκοτεινό ρεύμα είναι χαμηλότερο από 0,75 pA/μm², η μέγιστη απόκριση είναι έως 0,57 A/W και έχει γρήγορη μεταβατική απόκριση (τάξη ps). Η μελλοντική ανάπτυξη των φωτοανιχνευτών InGaAs θα επικεντρωθεί στις ακόλουθες δύο πτυχές: (1) Το επιταξιακό στρώμα InGaAs αναπτύσσεται απευθείας σε υπόστρωμα Si. Προς το παρόν, οι περισσότερες από τις μικροηλεκτρονικές συσκευές στην αγορά βασίζονται σε Si και η επακόλουθη ολοκληρωμένη ανάπτυξη InGaAs και Si βάσης είναι η γενική τάση. Η επίλυση προβλημάτων όπως η αναντιστοιχία πλέγματος και η διαφορά συντελεστή θερμικής διαστολής είναι ζωτικής σημασίας για τη μελέτη των InGaAs/Si. (2) Η τεχνολογία μήκους κύματος 1550 nm είναι ώριμη και το εκτεταμένο μήκος κύματος (2,0 ~ 2,5) μm είναι η μελλοντική ερευνητική κατεύθυνση. Με την αύξηση των στοιχείων In, η αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ του υποστρώματος InP και του επιταξιακού στρώματος InGaAs θα οδηγήσει σε πιο σοβαρή εξάρθρωση και ελαττώματα, επομένως είναι απαραίτητο να βελτιστοποιηθούν οι παράμετροι διαδικασίας της συσκευής, να μειωθούν τα ελαττώματα του πλέγματος και να μειωθεί το σκοτεινό ρεύμα της συσκευής.