Istruktura ng photodetector ng InGaAs

Istruktura ngPhotodetector ng InGaAs

Mula noong dekada 1980, pinag-aralan na ng mga mananaliksik sa loob at labas ng bansa ang istruktura ng mga photodetector ng InGaAs, na pangunahing nahahati sa tatlong uri. Ang mga ito ay ang 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 halaga ng mga photodetector ng InGaAs na may iba't ibang istruktura, at mayroon ding malalaking pagkakaiba sa pagganap ng aparato.

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

Ang InGaAs PIN photodetector ay naglalagay ng intrinsic layer sa pagitan ng P-type contact layer at ng N-type contact layer, gaya ng ipinapakita sa Figure (b), na nagpapataas ng lapad ng depletion region, kaya naglalabas ng mas maraming electron-hole pairs at bumubuo ng mas malaking photocurrent, kaya mayroon itong mahusay na electron conduction performance. Noong 2007, ginamit nina A.Poloczek et al. ang MBE upang palaguin ang isang low-temperature buffer layer upang mapabuti ang surface roughness at malampasan ang lattice mismatch sa pagitan ng Si at InP. Ginamit ang MOCVD upang i-integrate ang InGaAs PIN structure sa InP substrate, at ang responsiveness 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 navigation, obstacle/collision avoidance, at short-range target detection/identification para sa maliliit na unmanned ground vehicles, na isinama sa isang low-cost microwave amplifier chip na makabuluhang nagpabuti sa signal-to-noise ratio ng InGaAs PIN photodetector. Batay dito, noong 2012, ginamit ng ALR ang liDAR imager na ito para sa mga robot, na may saklaw ng pagtukoy na higit sa 50 m at isang resolusyon na 256 × 128.

Ang mga InGaAphotodetector ng avalancheay isang uri ng photodetector na may gain, na ang istruktura ay ipinapakita sa Figure (c). Ang pares ng electron-hole ay nakakakuha ng sapat na enerhiya sa ilalim ng aksyon ng electric field sa loob ng rehiyon ng pagdoble, 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 upang palaguin ang mga lattice matched na InGaAs at InAlAs alloys sa isang InP substrate, gamit ang mga pagbabago sa komposisyon ng haluang metal, kapal ng epitaxial layer, at doping sa modulated carrier energy upang ma-maximize ang electroshock ionization habang binabawasan 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. ay bumuo ng isang set ng 1570 nm laser active imaging experimental platform batay sa InGaAs avalanche photodetector. Ang internal circuit ngDetektor ng APDTumatanggap ng mga echo at direktang naglalabas ng mga digital signal, na ginagawang siksik ang buong aparato. Ang mga resulta ng eksperimento ay ipinapakita sa FIG. (d) at (e). Ang Figure (d) ay isang pisikal na larawan ng target na 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 distansya ng lalim sa area A at b. Ang platform ay nakakamit ng pulse width na mas mababa sa 10 ns, single pulse energy (1 ~ 3) mJ na naaayos, receiving lens field angle na 2°, repetition frequency na 1 kHz, detector duty ratio na humigit-kumulang 60%. Dahil sa internal photocurrent gain ng APD, mabilis na tugon, siksik na laki, tibay at mababang gastos, ang mga APD photodetector ay maaaring maging mas mataas nang isang order ng magnitude sa detection rate kaysa sa mga PIN photodetector, kaya ang kasalukuyang mainstream liDAR ay pangunahing pinangungunahan ng mga avalanche photodetector.

Sa pangkalahatan, sa mabilis na pag-unlad ng teknolohiya sa paghahanda ng InGaAs sa loob at labas ng bansa, mahusay nating magagamit ang MBE, MOCVD, LPE at iba pang mga teknolohiya upang maghanda ng malawak na 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 responsiveness, ang pinakamababang dark current ay mas mababa sa 0.75 pA/μm², ang pinakamataas na responsiveness ay hanggang 0.57 A/W, at may mabilis na transient response (ps order). Ang pag-unlad sa hinaharap ng mga photodetector ng InGaAs ay tututok sa sumusunod na dalawang aspeto: (1) Ang epitaxial layer ng InGaAs ay direktang itinatanim sa Si substrate. Sa kasalukuyan, karamihan sa mga microelectronic device sa merkado ay nakabatay sa Si, at ang kasunod na pinagsamang pag-unlad ng InGaAs at Si ay ang pangkalahatang trend. 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 technology ay mature na, at ang extended wavelength (2.0 ~ 2.5) μm ang direksyon ng pananaliksik sa hinaharap. Sa pagtaas ng mga bahaging In, ang hindi pagkakatugma ng lattice 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 sa lattice, at bawasan ang dark current ng device.