Aufbau des InGaAs-Photodetektors

Struktur vonInGaAs-Photodetektor

Seit den 1980er Jahren untersuchen Forscher im In- und Ausland die Struktur von InGaAs-Photodetektoren, die sich im Wesentlichen in drei Typen unterteilen lassen: InGaAs-Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektoren (MSM-PD), InGaAs-PIN-Photodetektoren (PIN-PD) und InGaAs-Lawinenphotodetektoren (APD-PD). Es bestehen signifikante Unterschiede im Herstellungsprozess und den Kosten von InGaAs-Photodetektoren mit unterschiedlichen Strukturen, und auch die Leistungsfähigkeit der Bauelemente variiert stark.

Die InGaAs-Metall-Halbleiter-Metall-StrukturFotodetektorDie in Abbildung (a) dargestellte Struktur ist eine spezielle Struktur, die auf einem Schottky-Übergang basiert. 1992 nutzten Shi et al. die Niederdruck-Metallorganische-Gasphasenepitaxie (LP-MOVPE) zur Herstellung von Epitaxieschichten und fertigten einen InGaAs-MSM-Photodetektor an. Dieser wies eine hohe Ansprechbarkeit von 0,42 A/W bei einer Wellenlänge von 1,3 μm und einen Dunkelstrom von unter 5,6 pA/μm² bei 1,5 V auf. 1996 verwendeten Zhang et al. die Gasphasen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE) zur Herstellung der InAlAs-InGaAs-InP-Epitaxieschicht. Die InAlAs-Schicht zeigte hohe spezifische Widerstände. Die Wachstumsbedingungen wurden mittels Röntgenbeugungsmessung optimiert, sodass die Gitterfehlanpassung zwischen den InGaAs- und InAlAs-Schichten im Bereich von 1 × 10⁻³ lag. Dies führt zu einer optimierten Geräteperformance mit einem Dunkelstrom unter 0,75 pA/μm² bei 10 V und einer schnellen Einschwingzeit von bis zu 16 ps bei 5 V. Insgesamt ist der MSM-Struktur-Photodetektor einfach und leicht zu integrieren und weist einen niedrigen Dunkelstrom (im pA-Bereich) auf. Allerdings verringert die Metallelektrode die effektive Lichtabsorptionsfläche des Bauelements, wodurch die Empfindlichkeit geringer ausfällt als bei anderen Strukturen.

Der InGaAs-PIN-Photodetektor fügt, wie in Abbildung (b) dargestellt, eine intrinsische Schicht zwischen der p- und der n-dotierten Kontaktschicht ein. Dies vergrößert die Breite der Verarmungszone, wodurch mehr Elektron-Loch-Paare emittiert und ein höherer Photostrom erzeugt wird. Dadurch weist der Detektor eine ausgezeichnete Elektronenleitfähigkeit auf. Im Jahr 2007 nutzten A. Poloczek et al. die Molekularstrahlepitaxie (MBE), um eine Niedertemperatur-Pufferschicht abzuscheiden. Dies verbesserte die Oberflächenrauheit und kompensierte die Gitterfehlanpassung zwischen Silizium (Si) und InP. Die InGaAs-PIN-Struktur wurde mittels MOCVD auf dem InP-Substrat integriert. Die Ansprechbarkeit des Bauelements betrug etwa 0,57 A/W. Im Jahr 2011 untersuchte das Army Research Laboratory (ALR) mithilfe von PIN-Fotodetektoren einen LiDAR-Bildsensor für Navigation, Hindernis- und Kollisionsvermeidung sowie Zielerkennung und -identifizierung im Nahbereich für kleine unbemannte Bodenfahrzeuge. Dieser wurde mit einem kostengünstigen Mikrowellenverstärkerchip integriert, der das Signal-Rausch-Verhältnis des InGaAs-PIN-Fotodetektors deutlich verbesserte. Darauf aufbauend setzte das ALR den LiDAR-Bildsensor 2012 für Roboter ein. Er erreichte eine Reichweite von über 50 m und eine Auflösung von 256 × 128 Pixeln.

Die InGaAsLawinenfotodetektorEs handelt sich um eine Art Photodetektor mit Verstärkung, dessen Struktur in Abbildung (c) dargestellt ist. Das Elektron-Loch-Paar erhält unter dem Einfluss des elektrischen Feldes innerhalb der Verdopplungszone genügend Energie, um mit dem Atom zu kollidieren, neue Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, einen Lawineneffekt auszulösen und die Nichtgleichgewichtsträger im Material zu vervielfachen. Im Jahr 2013 nutzte George M. MBE, um gitterangepasste InGaAs- und InAlAs-Legierungen auf einem InP-Substrat zu züchten. Durch Variation der Legierungszusammensetzung, der Dicke der Epitaxieschicht und der Dotierung modulierte er die Trägerenergie, um die Elektroschockionisation zu maximieren und gleichzeitig die Lochionisation zu minimieren. Bei äquivalenter Ausgangssignalverstärkung weist die APD ein geringeres Rauschen und einen geringeren Dunkelstrom auf. Im Jahr 2016 bauten Sun Jianfeng et al. eine experimentelle Plattform für aktive Laserbildgebung bei 1570 nm auf Basis des InGaAs-Lawinenphotodetektors. Der interne Schaltkreis vonAPD-FotodetektorDas Gerät empfängt Echos und gibt direkt digitale Signale aus, wodurch es kompakt ist. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abb. (d) und (e) dargestellt. Abb. (d) zeigt ein Foto des abgebildeten Objekts, Abb. (e) eine dreidimensionale Entfernungsdarstellung. Deutlich erkennbar ist der Tiefenabstand des Fensterbereichs c zu den Bereichen A und b. Die Plattform ermöglicht Pulsbreiten unter 10 ns, einstellbare Einzelpulsenergien von 1 bis 3 mJ, einen Empfangswinkel der Linse von 2°, eine Wiederholfrequenz von 1 kHz und ein Tastverhältnis des Detektors von ca. 60 %. Dank der internen Photostromverstärkung, der schnellen Ansprechzeit, der kompakten Bauweise, der Langlebigkeit und der geringen Kosten von APD-Photodetektoren ist deren Detektionsrate um eine Größenordnung höher als die von PIN-Photodetektoren. Daher dominieren derzeit Lawinenphotodetektoren den LiDAR-Markt.

Insgesamt ermöglicht die rasante Entwicklung der InGaAs-Herstellungstechnologie im In- und Ausland die gezielte Anwendung von MBE, MOCVD, LPE und anderen Verfahren zur Herstellung großflächiger, hochwertiger InGaAs-Epitaxieschichten auf InP-Substraten. InGaAs-Photodetektoren zeichnen sich durch geringen Dunkelstrom und hohe Empfindlichkeit aus. Der niedrigste Dunkelstrom liegt unter 0,75 pA/µm², die maximale Empfindlichkeit erreicht bis zu 0,57 A/W, und die Photodetektoren weisen ein schnelles Einschwingverhalten (im Pikosekundenbereich) auf. Die zukünftige Entwicklung von InGaAs-Photodetektoren konzentriert sich auf zwei Aspekte: (1) Die InGaAs-Epitaxieschicht wird direkt auf Si-Substraten abgeschieden. Da die meisten mikroelektronischen Bauelemente auf dem Markt derzeit auf Si basieren, ist die Integration von InGaAs und Si der allgemeine Trend. Die Lösung von Problemen wie Gitterfehlanpassung und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist für die Untersuchung von InGaAs/Si entscheidend. (2) Die Technologie mit einer Wellenlänge von 1550 nm ist ausgereift, und die erweiterte Wellenlänge (2,0–2,5 μm) stellt die zukünftige Forschungsrichtung dar. Mit zunehmendem Indiumanteil führt die Gitterfehlanpassung zwischen dem InP-Substrat und der InGaAs-Epitaxieschicht zu stärkeren Versetzungen und Defekten. Daher ist es notwendig, die Prozessparameter des Bauelements zu optimieren, die Gitterdefekte zu reduzieren und den Dunkelstrom des Bauelements zu verringern.