Struktur fotodetektor InGaAs

Struktur darifotodetektor InGaAs

Sejak tahun 1980-an, para peneliti di dalam dan luar negeri telah mempelajari struktur fotodetektor InGaAs, yang terbagi menjadi tiga jenis. Mereka adalah fotodetektor logam-Semikonduktor-logam InGaAs (MSM-PD), Fotodetektor PIN InGaAs (PIN-PD), dan Fotodetektor Longsor InGaAs (APD-PD). Terdapat perbedaan yang signifikan dalam proses fabrikasi dan biaya fotodetektor InGaAs dengan struktur berbeda, dan terdapat juga perbedaan besar dalam kinerja perangkat.

Logam-semikonduktor-logam InGaAsfotodetektor, ditunjukkan pada Gambar (a), adalah struktur khusus yang didasarkan pada persimpangan Schottky. Pada tahun 1992, Shi dkk. menggunakan teknologi epitaksi fase uap logam-organik bertekanan rendah (LP-MOVPE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi dan menyiapkan fotodetektor InGaAs MSM, yang memiliki daya tanggap tinggi sebesar 0,42 A/W pada panjang gelombang 1,3 μm dan arus gelap lebih rendah dari 5,6 pA/ μm² pada 1,5 V. Pada tahun 1996, zhang dkk. menggunakan epitaksi berkas molekul fase gas (GSMBE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi InAlAs-InGaAs-InP. Lapisan InAlAs menunjukkan karakteristik resistivitas yang tinggi, dan kondisi pertumbuhannya dioptimalkan dengan pengukuran difraksi sinar-X, sehingga ketidaksesuaian kisi antara lapisan InGaAs dan InAlAs berada dalam kisaran 1×10⁻³. Hal ini menghasilkan kinerja perangkat yang dioptimalkan dengan arus gelap di bawah 0,75 pA/μm² pada 10 V dan respons transien cepat hingga 16 ps pada 5 V. Secara keseluruhan, fotodetektor struktur MSM sederhana dan mudah diintegrasikan, menunjukkan arus gelap rendah (pA urutan), tetapi elektroda logam akan mengurangi area penyerapan cahaya efektif perangkat, sehingga responsnya lebih rendah dibandingkan struktur lainnya.

Fotodetektor PIN InGaAs menyisipkan lapisan intrinsik antara lapisan kontak tipe-P dan lapisan kontak tipe-N, seperti yang ditunjukkan pada Gambar (b), yang meningkatkan lebar daerah penipisan, sehingga memancarkan lebih banyak pasangan lubang elektron dan membentuk a arus foto yang lebih besar, sehingga memiliki kinerja konduksi elektron yang sangat baik. Pada tahun 2007, A.Poloczek dkk. menggunakan MBE untuk menumbuhkan lapisan penyangga suhu rendah untuk meningkatkan kekasaran permukaan dan mengatasi ketidaksesuaian kisi antara Si dan InP. MOCVD digunakan untuk mengintegrasikan struktur PIN InGaAs pada substrat InP, dan daya tanggap perangkat sekitar 0,57A/W. Pada tahun 2011, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat (ALR) menggunakan fotodetektor PIN untuk mempelajari pencitraan liDAR untuk navigasi, penghindaran rintangan/tabrakan, dan deteksi/identifikasi target jarak pendek untuk kendaraan darat kecil tak berawak, terintegrasi dengan chip penguat gelombang mikro berbiaya rendah yang secara signifikan meningkatkan rasio signal-to-noise dari fotodetektor PIN InGaAs. Atas dasar tersebut, pada tahun 2012, ALR menggunakan lidar imager ini untuk robot, dengan jangkauan deteksi lebih dari 50 m dan resolusi 256×128.

InGaAfotodetektor longsoran saljuadalah sejenis fotodetektor dengan penguatan, strukturnya ditunjukkan pada Gambar (c). Pasangan lubang elektron memperoleh energi yang cukup di bawah pengaruh medan listrik di dalam daerah penggandaan, sehingga dapat bertumbukan dengan atom, menghasilkan pasangan lubang elektron baru, membentuk efek longsoran, dan melipatgandakan pembawa non-ekuilibrium dalam material. . Pada tahun 2013, George M menggunakan MBE untuk menumbuhkan paduan InGaAs dan InAlAs yang cocok dengan kisi pada substrat InP, menggunakan perubahan komposisi paduan, ketebalan lapisan epitaksi, dan doping untuk memodulasi energi pembawa untuk memaksimalkan ionisasi kejut listrik sekaligus meminimalkan ionisasi lubang. Pada penguatan sinyal keluaran yang setara, APD menunjukkan noise yang lebih rendah dan arus gelap yang lebih rendah. Pada tahun 2016, Sun Jianfeng dkk. membangun satu set platform eksperimental pencitraan aktif laser 1570 nm berdasarkan fotodetektor longsoran salju InGaAs. Sirkuit internal dariFotodetektor APDmenerima gema dan langsung mengeluarkan sinyal digital, membuat seluruh perangkat menjadi kompak. Hasil percobaan ditunjukkan pada Gambar. (d) dan (e). Gambar (d) merupakan foto fisik target pencitraan, dan Gambar (e) merupakan gambar jarak tiga dimensi. Terlihat jelas bahwa luas jendela luas c mempunyai jarak kedalaman tertentu dengan luas A dan b. Platform ini mewujudkan lebar pulsa kurang dari 10 ns, energi pulsa tunggal (1 ~ 3) mJ dapat disesuaikan, sudut bidang lensa penerima 2°, frekuensi pengulangan 1 kHz, rasio tugas detektor sekitar 60%. Berkat penguatan arus foto internal APD, respons cepat, ukuran ringkas, daya tahan, dan biaya rendah, fotodetektor APD dapat memiliki tingkat deteksi yang jauh lebih tinggi dibandingkan fotodetektor PIN, sehingga lidAR arus utama saat ini sebagian besar didominasi oleh fotodetektor longsoran salju.

Secara keseluruhan, dengan pesatnya perkembangan teknologi preparasi InGaAs di dalam dan luar negeri, kita dapat dengan terampil menggunakan MBE, MOCVD, LPE, dan teknologi lainnya untuk menyiapkan lapisan epitaksi InGaA berkualitas tinggi di area luas pada substrat InP. Fotodetektor InGaAs menunjukkan arus gelap rendah dan daya tanggap tinggi, arus gelap terendah lebih rendah dari 0,75 pA/μm², daya tanggap maksimum hingga 0,57 A/W, dan memiliki respons transien cepat (urutan ps). Pengembangan fotodetektor InGaAs di masa depan akan fokus pada dua aspek berikut: (1) lapisan epitaksi InGaAs ditanam langsung pada substrat Si. Saat ini, sebagian besar perangkat mikroelektronik di pasaran berbasis Si, dan pengembangan terintegrasi berbasis InGaAs dan Si selanjutnya menjadi tren umum. Pemecahan masalah seperti ketidaksesuaian kisi dan perbedaan koefisien muai panas sangat penting untuk studi InGaAs/Si; (2) Teknologi panjang gelombang 1550 nm telah matang, dan panjang gelombang yang diperluas (2,0 ~ 2,5) μm adalah arah penelitian di masa depan. Dengan bertambahnya komponen In, ketidaksesuaian kisi antara substrat InP dan lapisan epitaksi InGaA akan menyebabkan dislokasi dan cacat yang lebih serius, sehingga perlu mengoptimalkan parameter proses perangkat, mengurangi cacat kisi, dan mengurangi arus gelap perangkat.