Struktur vonInGaAs-Fotodetektor
Seit den 1980er Jahren untersuchen Forscher im In- und Ausland die Struktur von InGaAs-Fotodetektoren. Diese lassen sich hauptsächlich in drei Typen unterteilen: InGaAs-Metall-Halbleiter-Metall-Fotodetektor (MSM-PD), InGaAs-PIN-Fotodetektor (PIN-PD) und InGaAs-Avalanche-Fotodetektor (APD-PD). Es gibt erhebliche Unterschiede im Herstellungsprozess und den Kosten von InGaAs-Fotodetektoren mit unterschiedlichen Strukturen, und auch in der Geräteleistung gibt es große Unterschiede.
Das InGaAs Metall-Halbleiter-MetallFotodetektor, dargestellt in Abbildung (a), ist eine spezielle Struktur auf Basis des Schottky-Übergangs. 1992 verwendeten Shi et al. die Niederdruck-Metall-organische-Gasphasenepitaxie-Technologie (LP-MOVPE) zum Wachstum von Epitaxieschichten und stellten einen InGaAs-MSM-Fotodetektor her, 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/μm² bei 1,5 V aufwies. 1996 verwendeten Zhang et al. die Gasphasen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE) zum Wachstum der InAlAs-InGaAs-InP-Epitaxieschicht. Die InAlAs-Schicht zeigte einen hohen spezifischen Widerstand und die Wachstumsbedingungen wurden durch Röntgenbeugungsmessung optimiert, sodass die Gitterfehlanpassung zwischen den InGaAs- und InAlAs-Schichten im Bereich von 1×10⁻³ lag. Dies führt zu einer optimierten Geräteleistung mit einem Dunkelstrom unter 0,75 pA/μm² bei 10 V und einer schnellen transienten Reaktion 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 (im pA-Bereich) auf, 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 p-Typ- und der n-Typ-Kontaktschicht ein, wie in Abbildung (b) dargestellt. Dadurch vergrößert sich die Breite der Verarmungszone, wodurch mehr Elektronen-Loch-Paare abgestrahlt und ein größerer Fotostrom erzeugt wird. Dadurch weist er eine ausgezeichnete Elektronenleitfähigkeit auf. 2007 nutzten A. Poloczek et al. MBE, um eine Niedertemperatur-Pufferschicht zu erzeugen, die die Oberflächenrauheit verbesserte und die Gitterfehlanpassung zwischen Si und InP kompensierte. Mittels MOCVD wurde die InGaAs-PIN-Struktur auf dem InP-Substrat integriert. Die Reaktionsgeschwindigkeit des Geräts betrug ca. 0,57 A/W. Im Jahr 2011 untersuchte das Army Research Laboratory (ALR) mithilfe von PIN-Fotodetektoren einen LiDAR-Bildgeber für die Navigation, Hindernis- und Kollisionsvermeidung sowie die Zielerkennung und -identifizierung im Nahbereich kleiner unbemannter Bodenfahrzeuge. Er war mit einem kostengünstigen Mikrowellenverstärkerchip ausgestattet, der das Signal-Rausch-Verhältnis des InGaAs-PIN-Fotodetektors deutlich verbesserte. Auf dieser Grundlage setzte ALR 2012 diesen LiDAR-Bildgeber für Roboter mit einer Erfassungsreichweite von über 50 m und einer Auflösung von 256 × 128 ein.
Das InGaAsLawinenphotodetektorist ein Fotodetektor mit Verstärkung, dessen Aufbau in Abbildung (c) dargestellt ist. Das Elektron-Loch-Paar erhält unter der Einwirkung des elektrischen Feldes im Verdopplungsbereich genügend Energie, um mit dem Atom zu kollidieren, neue Elektron-Loch-Paare zu erzeugen, einen Lawineneffekt auszulösen und die nicht im Gleichgewicht befindlichen Ladungsträger im Material zu vervielfachen. George M. nutzte 2013 MBE, um gitterangepasste InGaAs- und InAlAs-Legierungen auf einem InP-Substrat zu züchten. Dabei wurden Änderungen der Legierungszusammensetzung, der epitaktischen Schichtdicke und der Dotierung genutzt, um die Ladungsträgerenergie zu modulieren und so die Elektroschockionisation zu maximieren und die Lochionisation zu minimieren. Bei gleicher Ausgangssignalverstärkung weist der APD geringeres Rauschen und einen niedrigeren Dunkelstrom auf. Sun Jianfeng et al. entwickelten 2016 eine experimentelle 1570-nm-Laser-Bildgebungsplattform basierend auf dem InGaAs-Lawinenfotodetektor. Die interne Schaltung vonAPD-Fotodetektorempfängt Echos und gibt digitale Signale direkt aus, wodurch das gesamte Gerät kompakt wird. Die experimentellen Ergebnisse sind in ABB. (d) und (e) dargestellt. Abbildung (d) ist ein physisches Foto des Abbildungsziels und Abbildung (e) ist ein dreidimensionales Abstandsbild. Es ist deutlich zu erkennen, dass der Fensterbereich von Bereich c einen bestimmten Tiefenabstand zu den Bereichen A und b aufweist. 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 Detektor-Tastverhältnis von etwa 60 %. Dank der internen Fotostromverstärkung, der schnellen Reaktion, der kompakten Größe, der Haltbarkeit und der geringen Kosten von APDs können APD-Fotodetektoren eine um ein Vielfaches höhere Erkennungsrate als PIN-Fotodetektoren erreichen, sodass der aktuelle Mainstream-LiDAR hauptsächlich von Lawinenfotodetektoren dominiert wird.
Insgesamt können wir mit der rasanten Entwicklung der InGaAs-Herstellungstechnologie im In- und Ausland MBE, MOCVD, LPE und andere Technologien geschickt nutzen, um großflächige, hochwertige InGaAs-Epitaxieschichten auf InP-Substraten herzustellen. InGaAs-Fotodetektoren weisen einen niedrigen Dunkelstrom und eine hohe Reaktionsfähigkeit auf (der niedrigste Dunkelstrom liegt unter 0,75 pA/μm²), die maximale Reaktionsfähigkeit beträgt bis zu 0,57 A/W) und sie haben eine schnelle Übergangsreaktion (im ps-Bereich). Die künftige 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 Gitterfehlanpassung und Unterschieden im Wärmeausdehnungskoeffizienten ist für die Untersuchung von InGaAs/Si von entscheidender Bedeutung; (2) Die Technologie mit einer Wellenlänge von 1550 nm ist ausgereift, und die erweiterte Wellenlänge (2,0 bis 2,5 μm) ist die zukünftige Forschungsrichtung. Mit der Zunahme von 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 verringern.
Beitragszeit: 06. Mai 2024