Der Aufbau des InGaAs-Photodetektors

Die Struktur vonInGaAs-Photodetektor
Seit den 1980er Jahren erforschen Wissenschaftler die Struktur von InGaAs-Photodetektoren, die sich in drei Haupttypen unterteilen lässt: InGaAs-Metall-Halbleiter-Metall-Fotodetektoren(MSM-PD), InGaAsPIN-Fotodetektoren(PIN-PD) und InGaAsLawinenfotodetektoren(APD-PD). Es bestehen erhebliche Unterschiede im Herstellungsprozess und den Kosten von InGaAs-Photodetektoren mit unterschiedlichen Strukturen, und auch die Leistungsfähigkeit der Bauelemente weist signifikante Unterschiede auf.
Die schematische Darstellung der InGaAs-Metall-Halbleiter-Metall-Photodetektorstruktur ist in der Abbildung zu sehen. Es handelt sich um eine spezielle Struktur basierend auf einem Schottky-Übergang. 1992 nutzten Shi et al. die Niederdruck-Metall-Organische-Gasphasenepitaxie (LP-MOVPE), um Epitaxieschichten herzustellen und InGaAs-MSM-Photodetektoren zu fertigen. Das Bauelement wies eine hohe Responsivität 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 auf. 1996 verwendeten Forscher die Gasphasen-Molekularstrahlepitaxie (GSMBE) zur Herstellung von InAlAs-InGaAs-InP-Epitaxieschichten, die hohe spezifische Widerstände zeigten. Die Wachstumsbedingungen wurden mittels Röntgenbeugungsmessungen optimiert, was zu einer Gitterfehlanpassung zwischen den InGaAs- und InAlAs-Schichten im Bereich von 1 × 10⁻³ führte. Dadurch wurde die Leistung des Bauelements optimiert, mit einem Dunkelstrom von weniger als 0,75 pA/μm² bei 10 V und einer schnellen Einschwingzeit von 16 ps bei 5 V. Insgesamt zeichnet sich der MSM-Struktur-Photodetektor durch eine einfache und leicht zu integrierende Struktur mit niedrigem Dunkelstrom (im pA-Bereich) aus. Die Metallelektrode reduziert jedoch die effektive Lichtabsorptionsfläche des Bauelements, was im Vergleich zu anderen Strukturen zu einer geringeren Empfindlichkeit führt.

Der InGaAs-PIN-Photodetektor besitzt eine intrinsische Schicht zwischen der p- und der n-dotierten Kontaktschicht (siehe Abbildung). Diese Schicht vergrößert die Breite der Verarmungszone, wodurch mehr Elektron-Loch-Paare emittiert und ein höherer Photostrom erzeugt werden, was zu einer exzellenten elektronischen Leitfähigkeit führt. Im Jahr 2007 nutzten Forscher MBE, um bei niedrigen Temperaturen Pufferschichten herzustellen. Dadurch wurde die Oberflächenrauheit verbessert und die Gitterfehlanpassung zwischen Si und InP überwunden. Sie integrierten InGaAs-PIN-Strukturen mittels MOCVD auf InP-Substraten. Die Responsivität des Bauelements betrug ca. 0,57 A/W. Im Jahr 2011 entwickelten Forscher mithilfe von PIN-Photodetektoren ein Kurzstrecken-LiDAR-Bildgebungssystem für die Navigation, Hindernis- und Kollisionsvermeidung sowie Zielerkennung kleiner unbemannter Bodenfahrzeuge. Das Bauelement wurde mit einem kostengünstigen Mikrowellenverstärkerchip integriert, wodurch das Signal-Rausch-Verhältnis der InGaAs-PIN-Photodetektoren deutlich verbessert wurde. Auf dieser Grundlage wandten Forscher im Jahr 2012 dieses LiDAR-Bildgebungsgerät auf Roboter an, mit einer Erfassungsreichweite von über 50 Metern und einer erhöhten Auflösung von 256 × 128.
Der InGaAs-Lawinenphotodetektor ist ein Photodetektor mit Verstärkung, wie im Strukturdiagramm dargestellt. Elektron-Loch-Paare erhalten im Verdopplungsbereich unter dem Einfluss des elektrischen Feldes ausreichend Energie und kollidieren mit Atomen, wodurch neue Elektron-Loch-Paare entstehen. Dies führt zu einem Lawineneffekt und einer Verdopplung der Nichtgleichgewichtsladungsträger im Material. Im Jahr 2013 nutzten Forscher die Molekularstrahlepitaxie (MBE), um gitterangepasste InGaAs- und InAlAs-Legierungen auf InP-Substraten herzustellen. Die Ladungsträgerenergie wurde durch Änderungen der Legierungszusammensetzung, der Dicke der Epitaxieschicht und der Dotierung moduliert, um die Elektroschockionisation zu maximieren und gleichzeitig die Lochionisation zu minimieren. Bei gleicher Ausgangssignalverstärkung weist der APD ein geringes Rauschen und einen niedrigen Dunkelstrom auf. Im Jahr 2016 entwickelten Forscher eine experimentelle Plattform für aktive Laserbildgebung bei 1570 nm auf Basis von InGaAs-Lawinenphotodetektoren. Der interne Schaltkreis desAPD-FotodetektorDas Gerät empfängt Echos und gibt direkt digitale Signale aus, wodurch es kompakt ist. Die experimentellen Ergebnisse sind in Abbildung (d) und (e) dargestellt. Abbildung (d) zeigt ein Foto des abgebildeten Objekts, Abbildung (e) eine dreidimensionale Entfernungsdarstellung. Deutlich erkennbar ist, dass der Fensterbereich in Zone C einen bestimmten Tiefenabstand zu den Zonen A und B aufweist. Diese Plattform erreicht eine Pulsbreite von unter 10 ns, eine einstellbare Einzelpulsenergie von 1–3 mJ, einen Sichtwinkel von 2° für die Sende- und Empfangslinsen, eine Wiederholrate 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 erreichen diese eine um eine Größenordnung höhere Detektionsrate als PIN-Photodetektoren. Daher werden in der Laserradartechnik derzeit hauptsächlich Lawinenphotodetektoren eingesetzt.