Ang Kayarian ng InGaAs Photodetector

Ang Istruktura ngInGaAs Photodetector
Mula noong dekada 1980, pinag-aaralan na ng mga mananaliksik ang istruktura ng mga photodetector ng InGaAs, na maaaring ibuod sa tatlong pangunahing uri: metal na InGaAs, semiconductor metalmga photodetector(MSM-PD), InGaAsMga PIN photodetector(PIN-PD), at InGaAsmga photodetector ng avalanche(APD-PD). May mga makabuluhang pagkakaiba sa proseso ng produksyon at halaga ng mga photodetector ng InGaAs na may iba't ibang istruktura, at mayroon ding mga makabuluhang pagkakaiba sa pagganap ng aparato.
Ang eskematiko na diagram ng istruktura ng InGaAs metal semiconductor metal photodetector ay ipinapakita sa pigura, na isang espesyal na istruktura batay sa Schottky junction. Noong 1992, ginamit nina Shi et al. ang low-pressure metal organic vapor phase epitaxy (LP-MOVPE) na teknolohiya upang palaguin ang mga epitaxial layer at ihanda ang mga InGaAs MSM photodetector. Ang aparato ay may mataas na responsivity 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 ng mga mananaliksik ang gas-phase molecular beam epitaxy (GSMBE) upang palaguin ang mga epitaxial layer ng InAlAs InGaAs InP, na nagpakita ng mataas na katangian ng resistivity. Ang mga kondisyon ng paglago ay na-optimize sa pamamagitan ng mga pagsukat ng X-ray diffraction, na nagresulta sa isang lattice mismatch sa pagitan ng mga layer ng InGaAs at InAlAs sa loob ng saklaw na 1 × 10⁻³. Bilang resulta, na-optimize ang performance ng device, na may dark current na mas mababa sa 0.75 pA/μm² sa 10 V at mabilis na transient response na 16 ps sa 5 V. Sa pangkalahatan, ang MSM structure photodetector ay may simple at madaling i-integrate na istraktura, na nagpapakita ng mas mababang dark current (pA level), ngunit binabawasan ng metal electrode ang effective light absorption area ng device, na nagreresulta sa mas mababang responsivity kumpara sa ibang mga istruktura.

Ang InGaAs PIN photodetector ay may intrinsic layer na nakalagay sa pagitan ng P-type contact layer at ng N-type contact layer, gaya ng ipinapakita sa pigura, na nagpapataas ng lapad ng depletion region, sa gayon ay naglalabas ng mas maraming electron hole pairs at bumubuo ng mas malaking photocurrent, kaya nagpapakita ng mahusay na electronic conductivity. Noong 2007, ginamit ng mga mananaliksik ang MBE upang palaguin ang mga low-temperature buffer layer, na nagpapabuti sa surface roughness at nalalampasan ang lattice mismatch sa pagitan ng Si at InP. Isinama nila ang mga istruktura ng InGaAs PIN sa mga substrate ng InP gamit ang MOCVD, at ang responsivity ng device ay humigit-kumulang 0.57 A/W. Noong 2011, ginamit ng mga mananaliksik ang mga PIN photodetector upang bumuo ng isang short-range LiDAR imaging device para sa nabigasyon, pag-iwas sa balakid/banggaan, at pagtukoy/pagkilala ng target ng maliliit na unmanned ground vehicles. Ang device ay isinama sa isang murang microwave amplifier chip, na makabuluhang nagpabuti sa signal-to-noise ratio ng mga InGaAs PIN photodetector. Batay dito, noong 2012, inilapat ng mga mananaliksik ang LiDAR imaging device na ito sa mga robot, na may saklaw ng pagtuklas na mahigit 50 metro at ang resolusyon ay tumaas sa 256 × 128.
Ang InGaAs avalanche photodetector ay isang uri ng photodetector na may gain, gaya ng ipinapakita sa structure diagram. Ang mga pares ng electron hole ay nakakakuha ng sapat na enerhiya sa ilalim ng aksyon ng electric field sa loob ng doubling region, at bumabangga sa mga atom upang makabuo ng mga bagong pares ng electron hole, na bumubuo ng avalanche effect at nagdodoble sa mga non-equilibrium charge carrier sa materyal. Noong 2013, ginamit ng mga mananaliksik ang MBE upang palaguin ang mga lattice matched na InGaAs at InAlAs alloys sa mga InP substrates, na binabago ang carrier energy sa pamamagitan ng mga pagbabago sa komposisyon ng alloy, kapal ng epitaxial layer, at doping, na nagpapalaki sa electroshock ionization habang binabawasan ang hole ionization. Sa ilalim ng katumbas na output signal gain, ang APD ay nagpapakita ng mababang ingay at mas mababang dark current. Noong 2016, bumuo ang mga mananaliksik ng isang 1570 nm laser active imaging experimental platform batay sa InGaAs avalanche photodetectors. Ang internal circuit ngDetektor ng APDTumatanggap ng mga echo at direktang naglalabas ng mga digital signal, na ginagawang siksik ang buong device. Ang mga resulta ng eksperimento ay ipinapakita sa Mga Larawan (d) at (e). Ang Larawan (d) ay isang pisikal na larawan ng target na imaging, at ang Larawan (e) ay isang three-dimensional na imahe ng distansya. Malinaw na makikita na ang window area sa Zone C ay may tiyak na distansya sa lalim mula sa Mga Zone A at B. Ang platform na ito ay nakakamit ng pulse width na mas mababa sa 10 ns, adjustable single pulse energy (1-3) mJ, field of view angle na 2° para sa mga lente na nagpapadala at tumatanggap, repetition rate na 1 kHz, at detector duty cycle na humigit-kumulang 60%. Dahil sa internal photocurrent gain, mabilis na tugon, siksik na laki, tibay, at mababang halaga ng APD, ang mga APD photodetector ay maaaring makamit ang detection rate na isang order of magnitude na mas mataas kaysa sa mga PIN photodetector. Samakatuwid, sa kasalukuyan, ang mainstream laser radar ay pangunahing gumagamit ng avalanche photodetector.