Istraktura ng InGaAs photodetector

Istruktura ngInGaAs photodetector

Mula noong 1980s, pinag-aralan ng mga mananaliksik sa loob at labas ng bansa ang istruktura ng InGaAs photodetector, na pangunahing nahahati sa tatlong uri. Ang mga ito ay InGaAs metal-Semiconductor-metal photodetector (MSM-PD), InGaAs PIN Photodetector (PIN-PD), at InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD). May mga makabuluhang pagkakaiba sa proseso ng paggawa at gastos ng InGaAs photodetector na may iba't ibang istruktura, at mayroon ding malaking pagkakaiba sa performance ng device.

Ang InGaAs metal-semiconductor-metalphotodetector, na ipinapakita sa Figure (a), ay isang espesyal na istraktura batay sa Schottky junction. Noong 1992, si Shi et al. gumamit ng low pressure metal-organic vapor phase epitaxy technology (LP-MOVPE) upang palaguin ang mga layer ng epitaxy at inihanda ang InGaAs MSM photodetector, na may mataas na pagtugon na 0.42 A/W sa wavelength na 1.3 μm at isang madilim na kasalukuyang mas mababa sa 5.6 pA/ μm² sa 1.5 V. Noong 1996, si zhang et al. gumamit ng gas phase molecular beam epitaxy (GSMBE) upang palaguin ang InAlAs-InGaAs-InP epitaxy layer. Ang layer ng InAlAs ay nagpakita ng mataas na mga katangian ng resistivity, at ang mga kondisyon ng paglago ay na-optimize sa pamamagitan ng pagsukat ng X-ray diffraction, upang ang mismatch ng sala-sala sa pagitan ng mga layer ng InGaA at InAlAs ay nasa saklaw ng 1×10⁻³. Nagreresulta ito sa na-optimize na performance ng device na may dark current sa ibaba 0.75 pA/μm² sa 10 V at mabilis na transient response hanggang 16 ps sa 5 V. Sa kabuuan, ang MSM structure photodetector ay simple at madaling isama, na nagpapakita ng mababang dark current (pA order), ngunit babawasan ng metal electrode ang epektibong light absorption area ng device, kaya ang tugon ay mas mababa kaysa sa ibang mga istruktura.

Ang InGaAs PIN photodetector ay naglalagay ng intrinsic na layer sa pagitan ng P-type na contact layer at ng N-type na contact layer, tulad ng ipinapakita sa Figure (b), na nagpapataas ng lapad ng depletion region, kaya naglalabas ng mas maraming electron-hole pairs at bumubuo ng isang mas malaking photocurrent, kaya ito ay may mahusay na pagganap ng electron conduction. Noong 2007, A.Poloczek et al. ginamit ang MBE para palaguin ang isang mababang-temperatura na buffer layer upang mapabuti ang pagkamagaspang sa ibabaw at madaig ang hindi pagkakatugma ng sala-sala sa pagitan ng Si at InP. Ginamit ang MOCVD upang isama ang istraktura ng InGaAs PIN sa substrate ng InP, at ang pagtugon ng device ay humigit-kumulang 0.57A/W. Noong 2011, ginamit ng Army Research Laboratory (ALR) ang mga PIN photodetector upang pag-aralan ang isang liDAR imager para sa pag-navigate, pag-iwas sa hadlang/pagbangga, at short-range target detection/identification para sa maliliit na unmanned ground vehicle, na isinama sa murang microwave amplifier chip na makabuluhang napabuti ang signal-to-noise ratio ng InGaAs PIN photodetector. Sa batayan na ito, noong 2012, ginamit ng ALR ang liDAR imager na ito para sa mga robot, na may hanay ng pagtuklas na higit sa 50 m at isang resolusyon na 256 × 128.

Ang InGaAsavalanche photodetectoray isang uri ng photodetector na may pakinabang, ang istraktura nito ay ipinapakita sa Figure (c). Ang pares ng electron-hole ay nakakakuha ng sapat na enerhiya sa ilalim ng pagkilos ng electric field sa loob ng dobleng rehiyon, upang bumangga sa atom, makabuo ng mga bagong pares ng electron-hole, bumuo ng isang avalanche effect, at paramihin ang mga non-equilibrium carrier sa materyal . Noong 2013, ginamit ni George M ang MBE para palaguin ang mga lattice na tumutugma sa InGaAs at InAlAs na mga haluang metal sa isang InP substrate, gamit ang mga pagbabago sa komposisyon ng haluang metal, kapal ng epitaxial layer, at doping sa modulated carrier energy para ma-maximize ang electroshock ionization habang pinapaliit ang hole ionization. Sa katumbas na output signal gain, ang APD ay nagpapakita ng mas mababang ingay at mas mababang dark current. Noong 2016, si Sun Jianfeng et al. bumuo ng isang set ng 1570 nm laser active imaging experimental platform batay sa InGaAs avalanche photodetector. Ang panloob na circuit ngAPD photodetectornakatanggap ng mga dayandang at direktang naglalabas ng mga digital na signal, na ginagawang compact ang buong device. Ang mga eksperimentong resulta ay ipinapakita sa FIG. (d) at (e). Ang Figure (d) ay isang pisikal na larawan ng target ng imaging, at ang Figure (e) ay isang three-dimensional na imahe ng distansya. Malinaw na makikita na ang window area ng area c ay may tiyak na depth distance na may area A at b. Napagtanto ng platform ang lapad ng pulso na mas mababa sa 10 ns, single pulse energy (1 ~ 3) mJ adjustable, pagtanggap ng lens field Anggulo ng 2°, pag-uulit na dalas ng 1 kHz, detector duty ratio ng mga 60%. Salamat sa internal photocurrent gain ng APD, mabilis na pagtugon, compact size, durability at mababang halaga, ang APD photodetector ay maaaring maging isang order ng magnitude na mas mataas sa detection rate kaysa sa PIN photodetectors, kaya ang kasalukuyang mainstream na liDAR ay pangunahing pinangungunahan ng avalanche photodetectors.

Sa pangkalahatan, sa mabilis na pag-unlad ng teknolohiya ng paghahanda ng InGaAs sa loob at labas ng bansa, mahusay nating magagamit ang MBE, MOCVD, LPE at iba pang mga teknolohiya upang maghanda ng malalaking lugar na mataas ang kalidad na InGaAs epitaxial layer sa InP substrate. Ang mga photodetector ng InGaAs ay nagpapakita ng mababang dark current at mataas na pagtugon, ang pinakamababang dark current ay mas mababa sa 0.75 pA/μm², ang maximum na pagtugon ay hanggang 0.57 A/W, at may mabilis na lumilipas na tugon (ps order). Ang hinaharap na pag-unlad ng InGaAs photodetector ay tututuon sa sumusunod na dalawang aspeto: (1) InGaAs epitaxial layer ay direktang lumaki sa Si substrate. Sa kasalukuyan, karamihan sa mga microelectronic na aparato sa merkado ay batay sa Si, at ang kasunod na pinagsamang pag-unlad ng InGaAs at Si based ay ang pangkalahatang kalakaran. Ang paglutas ng mga problema tulad ng lattice mismatch at thermal expansion coefficient difference ay mahalaga para sa pag-aaral ng InGaAs/Si; (2) Ang 1550 nm wavelength na teknolohiya ay naging mature na, at ang pinahabang wavelength (2.0 ~ 2.5) μm ay ang hinaharap na direksyon ng pananaliksik. Sa pagtaas ng mga bahagi ng In, ang hindi pagkakatugma ng sala-sala sa pagitan ng InP substrate at InGaAs epitaxial layer ay hahantong sa mas malubhang dislokasyon at mga depekto, kaya kinakailangang i-optimize ang mga parameter ng proseso ng device, bawasan ang mga depekto ng sala-sala, at bawasan ang dark current ng device.