Struktur des InGaAs-Fotodetektors

Struktur vonInGaAs-Fotodetektor

Seit den 1980er Jahren untersuchen Forscher im In- und Ausland die Struktur von InGaAs-Fotodetektoren, die hauptsächlich in drei Typen unterteilt werden. Dabei handelt es sich um den InGaAs-Metall-Halbleiter-Metall-Fotodetektor (MSM-PD), den InGaAs-PIN-Fotodetektor (PIN-PD) und den InGaAs-Avalanche-Fotodetektor (APD-PD). Es gibt erhebliche Unterschiede im Herstellungsprozess und in den Kosten von InGaAs-Fotodetektoren mit unterschiedlichen Strukturen, und es gibt auch große Unterschiede in der Geräteleistung.

Das InGaAs-Metall-Halbleiter-MetallFotodetektor, dargestellt in Abbildung (a), ist eine spezielle Struktur, die auf dem Schottky-Übergang basiert. Im Jahr 1992 stellten Shi et al. nutzte die metallorganische Dampfphasenepitaxie-Technologie mit niedrigem Druck (LP-MOVPE), um Epitaxieschichten zu züchten, und bereitete einen InGaAs-MSM-Fotodetektor vor, der eine hohe Empfindlichkeit von 0,42 A/W bei einer Wellenlänge von 1,3 μm und einen Dunkelstrom von weniger als 5,6 pA/ aufweist. μm² bei 1,5 V. Im Jahr 1996 haben Zhang et al. verwendeten Gasphasen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE), um die InAlAs-InGaAs-InP-Epitaxieschicht wachsen zu lassen. Die InAlAs-Schicht zeigte hohe Widerstandseigenschaften und die Wachstumsbedingungen wurden durch Röntgenbeugungsmessung optimiert, sodass die Gitterfehlanpassung zwischen InGaAs- und InAlAs-Schichten im Bereich von 1×10⁻³ lag. Dies führt zu einer optimierten Geräteleistung mit einem Dunkelstrom von unter 0,75 pA/μm² bei 10 V und einer schnellen Einschwingreaktion von bis zu 16 ps bei 5 V. Insgesamt ist der Fotodetektor mit MSM-Struktur einfach und leicht zu integrieren und weist einen niedrigen Dunkelstrom (pA) auf Reihenfolge), aber die Metallelektrode verringert die effektive Lichtabsorptionsfläche des Geräts, sodass die Reaktion geringer ist als bei anderen Strukturen.

Der InGaAs-PIN-Fotodetektor fügt eine intrinsische Schicht zwischen der Kontaktschicht vom P-Typ und der Kontaktschicht vom N-Typ ein, wie in Abbildung (b) gezeigt, wodurch die Breite des Verarmungsbereichs vergrößert wird, wodurch mehr Elektron-Loch-Paare abgestrahlt werden und a gebildet wird Es verfügt über einen größeren Photostrom und verfügt daher über eine hervorragende Elektronenleitungsleistung. Im Jahr 2007 haben A.Poloczek et al. nutzten MBE, um eine Niedertemperatur-Pufferschicht aufzubauen, um die Oberflächenrauheit zu verbessern und die Gitterfehlanpassung zwischen Si und InP zu überwinden. MOCVD wurde verwendet, um die InGaAs-PIN-Struktur auf dem InP-Substrat zu integrieren, und die Reaktionsfähigkeit des Geräts betrug etwa 0,57 A/W. Im Jahr 2011 verwendete das Army Research Laboratory (ALR) PIN-Fotodetektoren, um einen LiDAR-Imager für Navigation, Hindernis-/Kollisionsvermeidung und Zielerkennung/-identifizierung im Nahbereich für kleine unbemannte Bodenfahrzeuge zu untersuchen, integriert mit einem kostengünstigen Mikrowellenverstärkerchip verbesserte das Signal-Rausch-Verhältnis des InGaAs-PIN-Fotodetektors erheblich. Auf dieser Basis setzte ALR 2012 diesen LiDAR-Imager für Roboter ein, mit einer Erfassungsreichweite von mehr als 50 m und einer Auflösung von 256 × 128.

Die InGaAsLawinenfotodetektorist eine Art Fotodetektor mit Verstärkung, dessen Struktur in Abbildung (c) dargestellt ist. Das Elektron-Loch-Paar erhält unter der Wirkung des elektrischen Feldes innerhalb des Verdopplungsbereichs 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. Dabei nutzte er Änderungen in der Legierungszusammensetzung, der Dicke der Epitaxieschicht und der Dotierung, um die Trägerenergie zu modulieren, um die Elektroschockionisierung zu maximieren und gleichzeitig die Lochionisierung zu minimieren. Bei gleichwertiger Ausgangssignalverstärkung weist APD ein geringeres Rauschen und einen geringeren Dunkelstrom auf. Im Jahr 2016 haben Sun Jianfeng et al. baute eine Reihe von 1570-nm-Laser-aktiven Bildgebungs-Experimentierplattformen auf Basis des InGaAs-Lawinenfotodetektors. Der interne Kreislauf vonAPD-Fotodetektorempfangene Echos und geben digitale Signale direkt aus, wodurch das gesamte Gerät kompakt wird. Die Versuchsergebnisse sind in Abb. 1 dargestellt. (d) und (e). Abbildung (d) ist ein physisches Foto des Bildziels und Abbildung (e) ist ein dreidimensionales Distanzbild. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Fensterbereich von Bereich c einen gewissen Tiefenabstand zu Bereich A und b hat. Die Plattform realisiert eine Impulsbreite von weniger als 10 ns, eine einstellbare Einzelimpulsenergie (1 ~ 3) mJ, einen Empfangslinsenfeldwinkel von 2°, eine Wiederholungsfrequenz von 1 kHz und ein Detektortastverhältnis von etwa 60 %. Dank der internen Fotostromverstärkung, der schnellen Reaktion, der kompakten Größe, der Haltbarkeit und den geringen Kosten von APD können APD-Fotodetektoren eine um eine Größenordnung höhere Erkennungsrate als PIN-Fotodetektoren aufweisen, sodass das aktuelle Mainstream-LiDAR hauptsächlich von Lawinenfotodetektoren dominiert wird.

Insgesamt können wir mit der rasanten Entwicklung der InGaAs-Vorbereitungstechnologie im In- und Ausland MBE, MOCVD, LPE und andere Technologien geschickt einsetzen, um eine großflächige, hochwertige InGaAs-Epitaxieschicht auf einem InP-Substrat vorzubereiten. InGaAs-Fotodetektoren weisen einen niedrigen Dunkelstrom und eine hohe Ansprechempfindlichkeit auf, der niedrigste Dunkelstrom liegt unter 0,75 pA/μm², die maximale Ansprechempfindlichkeit beträgt bis zu 0,57 A/W und sie haben eine schnelle Einschwingreaktion (ps-Größenordnung). Die zukünftige Entwicklung von InGaAs-Fotodetektoren wird sich auf die folgenden zwei Aspekte konzentrieren: (1) Die InGaAs-Epitaxieschicht wird direkt auf einem Si-Substrat aufgewachsen. Derzeit basieren die meisten mikroelektronischen Geräte auf dem Markt auf Si, und die anschließende integrierte Entwicklung von InGaAs- und Si-basierten Geräten ist der allgemeine Trend. Die Lösung von Problemen wie Gitterfehlanpassungen und unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten ist für die Untersuchung von InGaAs/Si von entscheidender Bedeutung. (2) Die 1550-nm-Wellenlängentechnologie ist ausgereift und die erweiterte Wellenlänge (2,0 ~ 2,5) μm ist die zukünftige Forschungsrichtung. Mit der Zunahme der In-Komponenten führt die Gitterfehlanpassung zwischen InP-Substrat und InGaAs-Epitaxieschicht zu schwerwiegenderen Versetzungen und Defekten. Daher ist es notwendig, die Prozessparameter des Geräts zu optimieren, die Gitterdefekte zu reduzieren und den Dunkelstrom des Geräts zu reduzieren.