InGaAs fotodedektörünün yapısı

YapısıInGaAs fotodedektörü

1980'lerden beri, yurtiçi ve yurtdışındaki araştırmacılar, esas olarak üç türe ayrılan InGaAs fotodedektörlerinin yapısını incelemektedir. Bunlar InGaAs metal-Yarıiletken-metal fotodedektör (MSM-PD), InGaAs PIN Fotodedektör (PIN-PD) ve InGaAs Çığ Fotodedektör'dür (APD-PD). Farklı yapılara sahip InGaAs fotodedektörlerinin üretim süreci ve maliyetinde önemli farklılıklar vardır ve ayrıca cihaz performansında da büyük farklılıklar vardır.

InGaAs metal-yarı iletken-metalfotodedektörŞekil (a)'da gösterilen, Schottky bağlantısına dayanan özel bir yapıdır. 1992'de, Shi ve arkadaşları epitaksi katmanlarını büyütmek için düşük basınçlı metal-organik buhar fazı epitaksi teknolojisini (LP-MOVPE) kullandılar ve 1,3 μm dalga boyunda 0,42 A/W'lık yüksek bir tepkiselliğe ve 1,5 V'da 5,6 pA/ μm²'den düşük bir karanlık akıma sahip InGaAs MSM fotodedektörü hazırladılar. 1996'da, Zhang ve arkadaşları InAlAs-InGaAs-InP epitaksi katmanını büyütmek için gaz fazı moleküler ışın epitaksisini (GSMBE) kullandılar. InAlAs katmanı yüksek özdirenç özellikleri gösterdi ve büyüme koşulları X-ışını kırınımı ölçümü ile optimize edildi, böylece InGaAs ve InAlAs katmanları arasındaki kafes uyumsuzluğu 1×10⁻³ aralığındaydı. Bu, 10 V'da 0,75 pA/μm²'nin altında karanlık akım ve 5 V'da 16 ps'ye kadar hızlı geçiş tepkisi ile optimize edilmiş cihaz performansıyla sonuçlanır. Genel olarak, MSM yapı fotodedektörü basit ve entegre edilmesi kolaydır, düşük karanlık akım (pA mertebesi) gösterir, ancak metal elektrot cihazın etkili ışık emilim alanını azaltacağından tepki diğer yapılardan daha düşüktür.

InGaAs PIN fotodetektörü, Şekil (b)'de gösterildiği gibi, P tipi temas katmanı ile N tipi temas katmanı arasına içsel bir katman yerleştirir, bu da tükenme bölgesinin genişliğini artırır, böylece daha fazla elektron-delik çifti yayar ve daha büyük bir fotoakım oluşturur, böylece mükemmel elektron iletim performansına sahiptir. 2007'de A.Poloczek ve diğerleri, yüzey pürüzlülüğünü iyileştirmek ve Si ile InP arasındaki kafes uyumsuzluğunu gidermek için düşük sıcaklıklı bir tampon katmanı büyütmek için MBE'yi kullandı. MOCVD, InGaAs PIN yapısını InP alt tabakasına entegre etmek için kullanıldı ve cihazın tepkisi yaklaşık 0,57A / W idi. 2011 yılında, Ordu Araştırma Laboratuvarı (ALR), küçük insansız kara araçları için navigasyon, engel/çarpışma önleme ve kısa menzilli hedef tespiti/tanımı için bir liDAR görüntüleyiciyi incelemek üzere PIN fotodedektörlerini kullandı ve InGaAs PIN fotodedektörünün sinyal-gürültü oranını önemli ölçüde iyileştiren düşük maliyetli bir mikrodalga amplifikatör çipi ile entegre etti. Bu temelde, 2012 yılında ALR, 50 m'den fazla bir tespit aralığı ve 256 × 128 çözünürlüğe sahip bu liDAR görüntüleyiciyi robotlar için kullandı.

InGaAs'larçığ fotodetektörükazançlı bir tür fotodedektördür, yapısı Şekil (c)'de gösterilmiştir. Elektron-delik çifti, atomla çarpışmak, yeni elektron-delik çiftleri oluşturmak, çığ etkisi oluşturmak ve malzemedeki denge dışı taşıyıcıları çoğaltmak için, iki katına çıkarma bölgesinin içindeki elektrik alanının etkisi altında yeterli enerji elde eder. 2013 yılında, George M, alaşım bileşimindeki, epitaksiyel tabaka kalınlığındaki ve modüle edilmiş taşıyıcı enerjiye katkılamadaki değişiklikleri kullanarak, delik iyonizasyonunu en aza indirirken elektroşok iyonizasyonunu en üst düzeye çıkarmak için bir InP alt tabakasında kafes eşleştirilmiş InGaAs ve InAlAs alaşımları yetiştirmek için MBE'yi kullandı. Eşdeğer çıkış sinyali kazancında, APD daha düşük gürültü ve daha düşük karanlık akım gösterir. 2016 yılında, Sun Jianfeng ve diğerleri, InGaAs çığ fotodedektörünü temel alan bir dizi 1570 nm lazer aktif görüntüleme deneysel platformu oluşturdu. Dahili devresiAPD fotodedektörüalınan yankılar ve doğrudan çıkış dijital sinyalleri, tüm cihazı kompakt hale getirir. Deneysel sonuçlar ŞEKİL (d) ve (e)'de gösterilmiştir. Şekil (d), görüntüleme hedefinin fiziksel bir fotoğrafıdır ve Şekil (e) üç boyutlu bir mesafe görüntüsüdür. Alan c'nin pencere alanının A ve b alanlarıyla belirli bir derinlik mesafesine sahip olduğu açıkça görülebilir. Platform, 10 ns'den daha az darbe genişliği, tek darbe enerjisi (1 ~ 3) mJ ayarlanabilir, 2°'lik alıcı lens alan açısı, 1 kHz'lik tekrarlama frekansı, yaklaşık %60'lık dedektör görev oranı gerçekleştirir. APD'nin dahili foto akım kazancı, hızlı tepkisi, kompakt boyutu, dayanıklılığı ve düşük maliyeti sayesinde, APD foto dedektörleri PIN foto dedektörlerinden bir büyüklük sırası daha yüksek algılama oranına sahip olabilir, bu nedenle mevcut ana akım LIDAR'a esas olarak çığ foto dedektörleri hakimdir.

Genel olarak, yurtiçinde ve yurtdışında InGaAs hazırlama teknolojisinin hızla gelişmesiyle, InP alt tabaka üzerinde büyük alanlı yüksek kaliteli InGaAs epitaksiyel tabakası hazırlamak için MBE, MOCVD, LPE ve diğer teknolojileri ustalıkla kullanabiliriz. InGaAs fotodedektörleri düşük karanlık akımı ve yüksek tepkisellik gösterir, en düşük karanlık akımı 0,75 pA/μm²'den düşüktür, maksimum tepkisellik 0,57 A/W'a kadar çıkar ve hızlı bir geçiş tepkisine (ps mertebesi) 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 bazlıdır ve InGaAs ve Si bazlı sonraki entegre geliştirme genel eğilimdir. Kafes uyumsuzluğu ve termal genleşme katsayısı farkı gibi sorunları çözmek, 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. In bileşenlerinin artmasıyla, InP alt tabakası ve InGaAs epitaksiyel tabakası arasındaki kafes uyumsuzluğu daha ciddi çıkıklara ve kusurlara yol açacaktır, bu nedenle cihaz işlem parametrelerini optimize etmek, kafes kusurlarını azaltmak ve cihaz karanlık akımını azaltmak gerekir.