YapısıInGaAs fotodedektör
1980'lerden beri, yurt içi ve yurt dışındaki araştırmacılar, esas olarak üç tipe ayrılan InGaAs fotodedektörlerinin yapısını incelemektedir. Bunlar InGaAs metal-yarıiletken-metal fotodedektör (MSM-PD), InGaAs PIN fotodedektör (PIN-PD) ve InGaAs çığ fotodedektör (APD-PD)'dir. Farklı yapılara sahip InGaAs fotodedektörlerinin üretim süreci ve maliyetinde önemli farklılıklar olduğu gibi, cihaz performansında da büyük farklılıklar bulunmaktadır.
InGaAs metal-yarıiletken-metalfotodedektörŞekil (a)'da gösterilen, Schottky eklemine dayalı özel bir yapıdır. 1992 yılında Shi ve arkadaşları, epitaksi katmanlarını büyütmek için düşük basınçlı metal-organik buhar fazlı epitaksi teknolojisini (LP-MOVPE) kullandılar ve 1,3 μm dalga boyunda 0,42 A/W'lık yüksek bir tepki hızına ve 1,5 V'ta 5,6 pA/μm²'den düşük bir karanlık akıma sahip InGaAs MSM fotodedektörünü hazırladılar. 1996 yılında Zhang ve arkadaşları, InAlAs-InGaAs-InP epitaksi katmanını büyütmek için gaz fazlı moleküler ışın epitaksisini (GSMBE) kullandılar. InAlAs katmanı yüksek direnç özelliklerine sahipti ve büyüme koşulları X-ışını kırınımı ölçümü ile optimize edildi, böylece InGaAs ve InAlAs katmanları arasındaki kafes uyumsuzluğu 1×10⁻³ aralığında kaldı. Bu durum, 10 V'ta 0,75 pA/μm²'nin altında karanlık akım ve 5 V'ta 16 ps'ye kadar hızlı geçici tepki ile optimize edilmiş cihaz performansı sağlar. Genel olarak, MSM yapılı fotodedektör basit ve entegre edilmesi kolaydır, düşük karanlık akım (pA mertebesinde) gösterir, ancak metal elektrot cihazın etkili ışık emilim alanını azaltacağından, tepki diğer yapılara göre daha düşüktür.
Şekil (b)'de gösterildiği gibi, InGaAs PIN fotodedektörü, P tipi temas katmanı ile N tipi temas katmanı arasına içsel bir katman yerleştirir; bu da tükenme bölgesinin genişliğini artırarak daha fazla elektron-delik çifti yayar ve daha büyük bir fotoakım oluşturur, bu nedenle mükemmel elektron iletim performansına sahiptir. 2007 yılında A.Poloczek ve arkadaşları, yüzey pürüzlülüğünü iyileştirmek ve Si ile InP arasındaki kafes uyumsuzluğunu gidermek için düşük sıcaklıkta bir tampon katman oluşturmak üzere MBE kullandılar. InGaAs PIN yapısını InP alt tabakasına entegre etmek için MOCVD kullanıldı ve cihazın tepki hızı yaklaşık 0,57 A/W oldu. 2011 yılında, Ordu Araştırma Laboratuvarı (ALR), küçük insansız kara araçları için navigasyon, engel/çarpışma önleme ve kısa menzilli hedef tespiti/tanımlaması amacıyla bir LiDAR görüntüleyiciyi incelemek için PIN fotodedektörleri kullandı. Bu görüntüleyici, InGaAs PIN fotodedektörünün sinyal-gürültü oranını önemli ölçüde iyileştiren düşük maliyetli bir mikrodalga yükseltici çip ile entegre edildi. Bu temelde, ALR 2012 yılında bu LiDAR görüntüleyiciyi robotlar için kullandı; algılama menzili 50 metreden fazla ve çözünürlüğü 256 × 128'dir.
InGaAsçığ fotodedektörüŞekil (c)'de yapısı gösterilen, kazançlı bir fotodedektör türüdür. Elektron-delik çifti, çiftleme bölgesinin içindeki elektrik alanının etkisi altında yeterli enerjiyi elde ederek atomla çarpışır, yeni elektron-delik çiftleri oluşturur, çığ etkisi yaratır ve malzemedeki dengesiz taşıyıcıları çoğaltır. 2013 yılında George M, alaşım bileşimindeki, epitaksiyel katman kalınlığındaki ve katkılamadaki değişiklikleri kullanarak taşıyıcı enerjisini modüle edip elektroşok iyonlaşmasını en üst düzeye çıkarırken delik iyonlaşmasını en aza indirerek, InP alt tabakası üzerinde kafes uyumlu InGaAs ve InAlAs alaşımları yetiştirmek için MBE kullandı. Eşdeğer çıkış sinyali kazancında, APD daha düşük gürültü ve daha düşük karanlık akım gösterir. 2016 yılında Sun Jianfeng ve arkadaşları, InGaAs çığ fotodedektörüne dayalı bir 1570 nm lazer aktif görüntüleme deney platformu kurdu. İç devresiAPD fotodedektörAlınan yankıları doğrudan dijital sinyaller olarak çıkışa aktararak tüm cihazı kompakt hale getirir. Deneysel sonuçlar Şekil (d) ve (e)'de gösterilmiştir. Şekil (d), görüntüleme hedefinin fiziksel bir fotoğrafıdır ve Şekil (e) üç boyutlu bir mesafe görüntüsüdür. c alanının pencere alanının, A ve b alanlarıyla belirli bir derinlik mesafesine sahip olduğu açıkça görülebilir. Platform, 10 ns'den daha az darbe genişliği, ayarlanabilir tek darbe enerjisi (1 ~ 3) mJ, 2° alıcı lens alan açısı, 1 kHz tekrarlama frekansı ve yaklaşık %60 dedektör görev oranı gerçekleştirir. APD'nin dahili fotoakım kazancı, hızlı tepki süresi, kompakt boyutu, dayanıklılığı ve düşük maliyeti sayesinde, APD fotodedektörleri, PIN fotodedektörlerine göre algılama oranında bir büyüklük mertebesi daha yüksek olabilir, bu nedenle mevcut ana akım LiDAR'da esas olarak çığ fotodedektörleri hakimdir.
Genel olarak, yurt içinde ve yurt dışında InGaAs hazırlama teknolojisinin hızlı gelişimiyle, MBE, MOCVD, LPE ve diğer teknolojileri kullanarak InP alt tabaka üzerinde geniş alanlı yüksek kaliteli InGaAs epitaksiyel tabakası hazırlayabiliyoruz. InGaAs fotodedektörleri düşük karanlık akım ve yüksek tepki hızı sergiler; en düşük karanlık akım 0,75 pA/μm²'den daha düşüktür, maksimum tepki hızı 0,57 A/W'ye kadar ulaşır ve hızlı bir geçici tepki süresine (ps mertebesinde) sahiptir. InGaAs fotodedektörlerinin gelecekteki gelişimi aşağıdaki iki hususa odaklanacaktır: (1) InGaAs epitaksiyel tabakası doğrudan Si alt tabaka üzerine büyütülür. Şu anda piyasadaki mikroelektronik cihazların çoğu Si tabanlıdır ve InGaAs ve Si tabanlı cihazların entegre gelişimi genel bir eğilimdir. Kafes uyumsuzluğu ve termal genleşme katsayısı farkı gibi sorunların çözülmesi, InGaAs/Si çalışması için çok önemlidir; (2) 1550 nm dalga boyu teknolojisi olgunlaşmıştır ve genişletilmiş dalga boyu (2,0 ~ 2,5) μm gelecekteki araştırma yönüdür. İn bileşenlerinin artmasıyla, InP alt tabakası ile InGaAs epitaksiyel tabakası arasındaki kafes uyumsuzluğu daha ciddi yer değiştirmelere ve kusurlara yol açacaktır; bu nedenle cihaz işlem parametrelerinin optimize edilmesi, kafes kusurlarının azaltılması ve cihazın karanlık akımının azaltılması gereklidir.
Yayın tarihi: 06 Mayıs 2024