InGaAs fotodedektörün yapısı

YapısıInGaAs fotodedektör

1980'lerden bu yana yurtiçi ve yurtdışındaki araştırmacılar, esas olarak üç tipe ayrılan InGaAs fotodetektörlerin yapısını incelediler. Bunlar InGaAs metal-Yarıiletken-metal fotodetektör (MSM-PD), InGaAs PIN Fotodetektör (PIN-PD) ve InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD)'dir. Farklı yapılardaki InGaAs fotodedektörlerin üretim süreci ve maliyetinde önemli farklılıklar olduğu gibi cihaz performansında da büyük farklılıklar vardır.

InGaAs metal-yarı iletken-metalfotodetektörŞekil (a)'da gösterilen Schottky kavşağını temel alan özel bir yapıdır. 1992'de Shi ve ark. Epitaksi katmanlarını büyütmek için düşük basınçlı metal-organik buhar fazlı epitaksi teknolojisi (LP-MOVPE) kullanıldı ve 1,3 μm dalga boyunda 0,42 A/W yüksek yanıt verebilirliğe ve 5,6 pA/'den düşük karanlık akıma sahip InGaAs MSM fotodetektörü hazırlandı. μm², 1,5 V. 1996'da zhang ve ark. InAlAs-InGaAs-InP epitaksi katmanını büyütmek için gaz fazlı moleküler ışın epitaksisini (GSMBE) kullandı. InAlAs katmanı yüksek direnç özellikleri gösterdi ve büyüme koşulları X-ışını kırınım ölçümüyle optimize edildi, böylece InGaAs ve InAlAs katmanları arasındaki kafes uyumsuzluğu 1x10⁻³ aralığındaydı. Bu, 10 V'ta 0,75 pA/μm²'nin altında karanlık akım ve 5 V'de 16 ps'ye kadar hızlı geçici tepki ile optimize edilmiş cihaz performansıyla sonuçlanır. Genel olarak, MSM yapı fotodetektörü basit ve entegrasyonu kolaydır, düşük karanlık akımı (pA) gösterir. ancak metal elektrot cihazın etkili ışık emme alanını azaltacaktır, dolayısıyla tepki diğer yapılara göre daha düşüktür.

InGaAs PIN fotodetektörü, Şekil (b)'de gösterildiği gibi, P-tipi temas katmanı ile N-tipi temas katmanı arasına, tükenme bölgesinin genişliğini artıran, böylece daha fazla elektron-delik çifti yayan ve bir iç katman oluşturan içsel bir katman ekler. daha büyük fotoakım olduğundan mükemmel elektron iletim performansına sahiptir. 2007 yılında A.Poloczek ve ark. yüzey pürüzlülüğünü iyileştirmek ve Si ile InP arasındaki kafes uyumsuzluğunun üstesinden gelmek için düşük sıcaklıkta bir tampon katman oluşturmak için MBE'yi kullandı. InGaAs PIN yapısını InP substratına entegre etmek için MOCVD kullanıldı ve cihazın yanıt verebilirliği yaklaşık 0,57A /W idi. 2011 yılında Ordu Araştırma Laboratuvarı (ALR), düşük maliyetli bir mikrodalga amplifikatör çipiyle entegre edilmiş, küçük insansız kara araçları için navigasyon, engel/çarpışmadan kaçınma ve kısa menzilli hedef tespiti/tanımlaması için bir liDAR görüntüleyiciyi incelemek üzere PIN fotodetektörlerini kullandı. InGaAs PIN fotodetektörünün sinyal-gürültü oranını önemli ölçüde geliştirdi. Bu temelde ALR, 2012 yılında robotlar için 50 m'den fazla algılama aralığına ve 256 × 128 çözünürlüğe sahip bu liDAR görüntüleyiciyi kullandı.

InGaA'larçığ fotodetektörüyapısı Şekil (c)'de gösterilen kazançlı bir tür fotodetektördür. Elektron-delik çifti, atomla çarpışmak, yeni elektron-delik çiftleri oluşturmak, çığ etkisi oluşturmak ve malzemedeki denge dışı taşıyıcıları çoğaltmak için ikiye katlama bölgesi içindeki elektrik alanının etkisi altında yeterli enerjiyi elde eder. . 2013 yılında George M, delik iyonizasyonunu en aza indirirken elektroşok iyonizasyonunu en üst düzeye çıkarmak için alaşım bileşimindeki değişiklikleri, epitaksiyel katman kalınlığını ve modüle edilmiş taşıyıcı enerjiye katkılamayı kullanarak bir InP substratı üzerinde kafes uyumlu InGaAs ve InAlAs alaşımlarını büyütmek için MBE'yi kullandı. Eşdeğer çıkış sinyali kazancında, APD daha düşük gürültü ve daha düşük karanlık akım gösterir. 2016 yılında Sun Jianfeng ve ark. InGaAs çığ fotodetektörünü temel alan bir dizi 1570 nm lazer aktif görüntüleme deney platformu oluşturdu. Dahili devreAPD fotodedektöralınan yankılar ve doğrudan dijital sinyaller vererek tüm cihazı kompakt hale getirir. Deney sonuçları Şekil 2'de gösterilmektedir. (d) ve (e). Şekil (d) görüntüleme hedefinin fiziksel fotoğrafıdır ve Şekil (e) üç boyutlu mesafe görüntüsüdür. C alanının pencere alanının A ve b alanıyla belli bir derinlik mesafesine sahip olduğu açıkça görülmektedir. Platform, 10 ns'den daha az darbe genişliği, tek darbe enerjisi (1 ~ 3) mJ ayarlanabilir, 2° alıcı lens alanı açısı, 1 kHz tekrarlama frekansı, yaklaşık %60 dedektör görev oranı gerçekleştirir. APD'nin dahili fotoakım kazanımı, hızlı tepkisi, kompakt boyutu, dayanıklılığı ve düşük maliyeti sayesinde, APD fotodetektörleri algılama oranı açısından PIN fotodedektörlerinden çok daha yüksek olabilir, bu nedenle mevcut ana akım liDAR'a esas olarak çığ fotodedektörleri hakimdir.

Genel olarak, InGaAs hazırlama teknolojisinin yurt içinde ve yurt dışında hızla gelişmesiyle birlikte, InP substratı üzerinde geniş alanlı, yüksek kaliteli InGaAs epitaksiyel katman hazırlamak için MBE, MOCVD, LPE ve diğer teknolojileri ustalıkla kullanabiliriz. InGaAs fotodetektörler düşük karanlık akımı ve yüksek yanıt verebilirlik sergiler, en düşük karanlık akımı 0,75 pA/μm²'den düşüktür, maksimum yanıt verebilirlik 0,57 A/W'ye kadardır ve hızlı geçici yanıta sahiptir (ps sırası). InGaAs fotodetektörlerin gelecekteki gelişimi aşağıdaki iki hususa odaklanacaktır: (1) InGaAs epitaksiyel katmanı doğrudan Si substratı üzerinde büyütülür. Şu anda piyasadaki mikroelektronik cihazların çoğu Si tabanlıdır ve ardından InGaAs ve Si tabanlı entegre gelişmeler genel eğilimdir. Kafes uyumsuzluğu ve termal genleşme katsayısı farkı gibi sorunların çözülmesi InGaAs/Si'nin incelenmesi 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 substratı ve InGaAs epitaksiyel katmanı arasındaki kafes uyumsuzluğu daha ciddi dislokasyon ve kusurlara yol açacaktır, bu nedenle cihaz işlem parametrelerini optimize etmek, kafes kusurlarını azaltmak ve cihazın karanlık akımını azaltmak gerekir.