Struktura e fotodetektorit InGaAs

Struktura eFotodetektor InGaAs

Që nga vitet 1980, studiuesit brenda dhe jashtë vendit kanë studiuar strukturën e fotodetektorëve InGaAs, të cilët ndahen kryesisht në tre lloje. Ato janë fotodetektor metal-gjysmëpërçues-metal InGaAs (MSM-PD), fotodetektor PIN InGaAs (PIN-PD) dhe fotodetektor InGaAs Avalanche (APD-PD). Ka dallime të konsiderueshme në procesin e prodhimit dhe koston e fotodetektorëve InGaAs me struktura të ndryshme, dhe ka gjithashtu dallime të mëdha në performancën e pajisjes.

Metali InGaAs-gjysmëpërçues-metalfotodetektor, e treguar në Figurën (a), është një strukturë e veçantë e bazuar në kryqëzimin Schottky. Në vitin 1992, Shi et al. përdorën teknologjinë e epitaksisë së fazës së avullit metal-organik me presion të ulët (LP-MOVPE) për të rritur shtresat e epitaksi dhe përgatitën fotodetektorin InGaAs MSM, i cili ka një reagim të lartë prej 0.42 A/W në një gjatësi vale prej 1.3 μm dhe një rrymë të errët më të ulët se 5.6 pA/μm² në 1.5 V. Në vitin 1996, zhang et al. përdorën epitaksinë e rrezes molekulare të fazës së gazit (GSMBE) për të rritur shtresën epitaksi InAlAs-InGaAs-InP. Shtresa InAlAs tregoi karakteristika të larta rezistence, dhe kushtet e rritjes u optimizuan me anë të matjes së difraksionit me rreze X, në mënyrë që mospërputhja e rrjetës midis shtresave InGaAs dhe InAlAs të ishte brenda intervalit 1×10⁻³. Kjo rezulton në performancë të optimizuar të pajisjes me rrymë të errët nën 0.75 pA/μm² në 10 V dhe përgjigje të shpejtë kalimtare deri në 16 ps në 5 V. Në tërësi, fotodetektori me strukturë MSM është i thjeshtë dhe i lehtë për t'u integruar, duke treguar rrymë të ulët të errët (rendi pA), por elektroda metalike do të zvogëlojë zonën efektive të thithjes së dritës së pajisjes, kështu që përgjigja është më e ulët se në strukturat e tjera.

Fotodetektori InGaAs PIN fut një shtresë të brendshme midis shtresës së kontaktit të tipit P dhe shtresës së kontaktit të tipit N, siç tregohet në Figurën (b), e cila rrit gjerësinë e rajonit të varfërimit, duke rrezatuar kështu më shumë çifte elektron-vrimë dhe duke formuar një fotorrymë më të madhe, kështu që ka performancë të shkëlqyer të përçueshmërisë së elektroneve. Në vitin 2007, A.Poloczek et al. përdorën MBE për të rritur një shtresë tampon me temperaturë të ulët për të përmirësuar vrazhdësinë e sipërfaqes dhe për të kapërcyer mospërputhjen e rrjetës midis Si dhe InP. MOCVD u përdor për të integruar strukturën InGaAs PIN në substratin InP, dhe reagimi i pajisjes ishte rreth 0.57A/W. Në vitin 2011, Laboratori i Kërkimeve të Ushtrisë (ALR) përdori fotodetektorë PIN për të studiuar një imazher liDAR për navigim, shmangie të pengesave/përplasjeve dhe zbulim/identifikim të objektivave me rreze të shkurtër për automjete të vogla tokësore pa pilot, të integruara me një çip amplifikator mikrovalësh me kosto të ulët që përmirësoi ndjeshëm raportin sinjal-zhurmë të fotodetektorit InGaAs PIN. Mbi këtë bazë, në vitin 2012, ALR përdori këtë aparat imazhi liDAR për robotët, me një gamë zbulimi prej më shumë se 50 m dhe një rezolucion prej 256 × 128.

InGaAsfotodetektor ortekëshështë një lloj fotodetektor me fitim, struktura e të cilit tregohet në Figurën (c). Çifti elektron-vrimë merr energji të mjaftueshme nën veprimin e fushës elektrike brenda rajonit të dyfishimit, në mënyrë që të përplaset me atomin, të gjenerojë çifte të reja elektron-vrimë, të formojë një efekt orteku dhe të shumëfishojë bartësit jo-ekuilibrues në material. Në vitin 2013, George M përdori MBE për të rritur lidhje InGaAs dhe InAlAs të përputhura me rrjetën në një substrat InP, duke përdorur ndryshime në përbërjen e lidhjes, trashësinë e shtresës epitaksiale dhe dopimin në energjinë e moduluar të bartësit për të maksimizuar jonizimin e elektroshokëve duke minimizuar jonizimin e vrimave. Në fitimin ekuivalent të sinjalit të daljes, APD tregon zhurmë më të ulët dhe rrymë të errët më të ulët. Në vitin 2016, Sun Jianfeng et al. ndërtuan një sërë platformash eksperimentale të imazhit aktiv me lazer 1570 nm bazuar në fotodetektorin e ortekut InGaAs. Qarku i brendshëm iFotodetektor APDmerr jehona dhe nxjerr direkt sinjale dixhitale, duke e bërë të gjithë pajisjen kompakte. Rezultatet eksperimentale tregohen në FIG. (d) dhe (e). Figura (d) është një foto fizike e objektivit të imazhit, dhe Figura (e) është një imazh tre-dimensional i distancës. Mund të shihet qartë se zona e dritares së zonës c ka një distancë të caktuar thellësie me zonën A dhe b. Platforma realizon gjerësi pulsi më pak se 10 ns, energji të vetme pulsi (1 ~ 3) mJ të rregullueshme, kënd të fushës së lentes marrëse prej 2°, frekuencë përsëritjeje prej 1 kHz, raport të detyrës së detektorit prej rreth 60%. Falë fitimit të brendshëm të fotorrymës së APD-së, përgjigjes së shpejtë, madhësisë kompakte, qëndrueshmërisë dhe kostos së ulët, fotodetektorët APD mund të jenë një rend madhësie më të lartë në shkallën e zbulimit sesa fotodetektorët PIN, kështu që liDAR-i aktual kryesor dominohet kryesisht nga fotodetektorët e ortekëve.

Në përgjithësi, me zhvillimin e shpejtë të teknologjisë së përgatitjes së InGaAs brenda dhe jashtë vendit, ne mund të përdorim me mjeshtëri teknologjitë MBE, MOCVD, LPE dhe të tjera për të përgatitur shtresë epitaksiale InGaAs me cilësi të lartë me sipërfaqe të madhe në substratin InP. Fotodetektorët InGaAs shfaqin rrymë të ulët të errët dhe reagim të lartë, rryma më e ulët e errët është më e ulët se 0.75 pA/μm², reagimi maksimal është deri në 0.57 A/W dhe ka një përgjigje të shpejtë kalimtare (rendi ps). Zhvillimi i ardhshëm i fotodetektorëve InGaAs do të përqendrohet në dy aspektet e mëposhtme: (1) Shtresa epitaksiale InGaAs rritet direkt në substratin Si. Aktualisht, shumica e pajisjeve mikroelektronike në treg janë të bazuara në Si, dhe zhvillimi i mëvonshëm i integruar i InGaAs dhe i bazuar në Si është trendi i përgjithshëm. Zgjidhja e problemeve të tilla si mospërputhja e rrjetës dhe ndryshimi i koeficientit të zgjerimit termik është thelbësore për studimin e InGaAs/Si; (2) Teknologjia e gjatësisë së valës 1550 nm është pjekur, dhe gjatësia e valës së zgjatur (2.0 ~ 2.5) μm është drejtimi i ardhshëm i kërkimit. Me rritjen e komponentëve In, mospërputhja e rrjetës midis substratit InP dhe shtresës epitaksiale InGaAs do të çojë në zhvendosje dhe defekte më serioze, prandaj është e nevojshme të optimizohen parametrat e procesit të pajisjes, të zvogëlohen defektet e rrjetës dhe të zvogëlohet rryma e errët e pajisjes.