Struktur fotodetektor InGaAs

Struktur dariFotodetektor InGaAs

Sejak tahun 1980-an, para peneliti di dalam dan luar negeri telah mempelajari struktur fotodetektor InGaAs, yang terutama terbagi menjadi tiga jenis. Ketiga jenis tersebut adalah fotodetektor InGaAs metal-semikonduktor-metal (MSM-PD), fotodetektor InGaAs PIN (PIN-PD), dan fotodetektor InGaAs Avalanche (APD-PD). Terdapat perbedaan signifikan dalam proses fabrikasi dan biaya fotodetektor InGaAs dengan struktur yang berbeda, serta perbedaan besar dalam kinerja perangkat.

InGaAs metal-semikonduktor-metalfotodetektorStruktur seperti yang ditunjukkan pada Gambar (a) adalah struktur khusus berdasarkan sambungan Schottky. Pada tahun 1992, Shi dkk. menggunakan teknologi epitaksi fase uap metal-organik tekanan rendah (LP-MOVPE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi dan menyiapkan fotodetektor MSM InGaAs, yang memiliki responsivitas 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 molekuler fase gas (GSMBE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi InAlAs-InGaAs-InP. Lapisan InAlAs menunjukkan karakteristik resistivitas tinggi, dan kondisi pertumbuhan 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 optimal 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 (orde pA), tetapi elektroda logam akan mengurangi area penyerapan cahaya efektif perangkat, sehingga responsnya lebih rendah daripada 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 deplesi, sehingga memancarkan lebih banyak pasangan elektron-lubang dan membentuk 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 responsivitas perangkat sekitar 0,57A/W. Pada tahun 2011, Laboratorium Penelitian Angkatan Darat (ALR) menggunakan fotodetektor PIN untuk mempelajari pencitra liDAR untuk navigasi, penghindaran rintangan/tabrakan, dan deteksi/identifikasi target jarak pendek untuk kendaraan darat tak berawak kecil, yang terintegrasi dengan chip penguat gelombang mikro berbiaya rendah yang secara signifikan meningkatkan rasio sinyal terhadap derau dari fotodetektor PIN InGaAs. Atas dasar ini, pada tahun 2012, ALR menggunakan pencitra liDAR ini untuk robot, dengan jangkauan deteksi lebih dari 50 m dan resolusi 256 × 128.

InGaAsdetektor foto longsoran saljuadalah sejenis fotodetektor dengan penguatan, yang strukturnya ditunjukkan pada Gambar (c). Pasangan elektron-lubang memperoleh energi yang cukup di bawah pengaruh medan listrik di dalam wilayah penggandaan, sehingga bertabrakan dengan atom, menghasilkan pasangan elektron-lubang baru, membentuk efek longsoran, dan melipatgandakan pembawa muatan non-ekuilibrium dalam material. Pada tahun 2013, George M menggunakan MBE untuk menumbuhkan paduan InGaAs dan InAlAs yang sesuai dengan kisi pada substrat InP, menggunakan perubahan komposisi paduan, ketebalan lapisan epitaksial, dan doping untuk memodulasi energi pembawa muatan guna memaksimalkan ionisasi kejut listrik sambil 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 seperangkat platform eksperimental pencitraan aktif laser 1570 nm berdasarkan fotodetektor longsoran InGaAs. Sirkuit internal dariFotodetektor APDmenerima gema dan langsung mengeluarkan sinyal digital, membuat seluruh perangkat menjadi kompak. Hasil eksperimen ditunjukkan pada Gambar (d) dan (e). Gambar (d) adalah foto fisik target pencitraan, dan Gambar (e) adalah citra jarak tiga dimensi. Dapat dilihat dengan jelas bahwa area jendela c memiliki jarak kedalaman tertentu dengan area A dan b. Platform ini mewujudkan lebar pulsa kurang dari 10 ns, energi pulsa tunggal (1 ~ 3) mJ yang 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 kompak, daya tahan, dan biaya rendah, fotodetektor APD dapat memiliki tingkat deteksi satu tingkat lebih tinggi daripada fotodetektor PIN, sehingga liDAR arus utama saat ini sebagian besar didominasi oleh fotodetektor longsoran.

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