Struktur Fotodetektor InGaAs

Struktur dariFotodetektor InGaAs
Sejak tahun 1980-an, para peneliti telah mempelajari struktur fotodetektor InGaAs, yang dapat diringkas menjadi tiga tipe utama: InGaAs logam semikonduktor logamfotodetektor(MSM-PD), InGaAsdetektor foto PIN(PIN-PD), dan InGaAsdetektor foto longsoran salju(APD-PD). Terdapat perbedaan signifikan dalam proses produksi dan biaya fotodetektor InGaAs dengan struktur yang berbeda, dan juga terdapat perbedaan signifikan dalam kinerja perangkat.
Diagram skematik struktur fotodetektor logam semikonduktor InGaAs ditunjukkan pada gambar, yang merupakan struktur khusus berdasarkan sambungan Schottky. Pada tahun 1992, Shi dkk. menggunakan teknologi epitaksi fasa uap organik logam bertekanan rendah (LP-MOVPE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksial dan menyiapkan fotodetektor MSM InGaAs. Perangkat ini memiliki responsivitas tinggi sebesar 0,42 A/W pada panjang gelombang 1,3 μm dan arus gelap kurang dari 5,6 pA/μm² pada 1,5 V. Pada tahun 1996, para peneliti menggunakan epitaksi berkas molekuler fasa gas (GSMBE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksial InAlAs InGaAs InP, yang menunjukkan karakteristik resistivitas tinggi. Kondisi pertumbuhan dioptimalkan melalui pengukuran difraksi sinar-X, menghasilkan ketidaksesuaian kisi antara lapisan InGaAs dan InAlAs dalam kisaran 1 × 10⁻³. Hasilnya, kinerja perangkat dioptimalkan, dengan arus gelap kurang dari 0,75 pA/μm² pada 10 V dan respons transien cepat 16 ps pada 5 V. Secara keseluruhan, fotodetektor struktur MSM memiliki struktur yang sederhana dan mudah diintegrasikan, menunjukkan arus gelap yang lebih rendah (tingkat pA), tetapi elektroda logam mengurangi area penyerapan cahaya efektif perangkat, sehingga menghasilkan responsivitas yang lebih rendah dibandingkan dengan struktur lainnya.

Fotodetektor PIN InGaAs memiliki lapisan intrinsik yang disisipkan antara lapisan kontak tipe-P dan lapisan kontak tipe-N, seperti yang ditunjukkan pada gambar, yang meningkatkan lebar daerah deplesi, sehingga memancarkan lebih banyak pasangan elektron-lubang dan membentuk arus foto yang lebih besar, sehingga menunjukkan konduktivitas elektronik yang sangat baik. Pada tahun 2007, para peneliti menggunakan MBE untuk menumbuhkan lapisan penyangga suhu rendah, meningkatkan kekasaran permukaan dan mengatasi ketidaksesuaian kisi antara Si dan InP. Mereka mengintegrasikan struktur PIN InGaAs pada substrat InP menggunakan MOCVD, dan responsivitas perangkat tersebut sekitar 0,57 A/W. Pada tahun 2011, para peneliti menggunakan fotodetektor PIN untuk mengembangkan perangkat pencitraan LiDAR jarak pendek untuk navigasi, penghindaran rintangan/tabrakan, dan deteksi/pengenalan target kendaraan darat tak berawak kecil. Perangkat tersebut diintegrasikan dengan chip penguat gelombang mikro berbiaya rendah, yang secara signifikan meningkatkan rasio sinyal terhadap derau fotodetektor PIN InGaAs. Atas dasar ini, pada tahun 2012, para peneliti menerapkan perangkat pencitraan LiDAR ini pada robot, dengan jangkauan deteksi lebih dari 50 meter dan resolusi yang ditingkatkan menjadi 256 × 128.
Fotodetektor longsoran InGaAs adalah jenis fotodetektor dengan penguatan, seperti yang ditunjukkan pada diagram struktur. Pasangan elektron-lubang memperoleh energi yang cukup di bawah pengaruh medan listrik di dalam wilayah penggandaan, dan bertabrakan dengan atom untuk menghasilkan pasangan elektron-lubang baru, membentuk efek longsoran dan menggandakan pembawa muatan non-ekuilibrium dalam material. Pada tahun 2013, para peneliti menggunakan MBE untuk menumbuhkan paduan InGaAs dan InAlAs yang sesuai dengan kisi pada substrat InP, memodulasi energi pembawa melalui perubahan komposisi paduan, ketebalan lapisan epitaksial, dan doping, memaksimalkan ionisasi kejut listrik sambil meminimalkan ionisasi lubang. Di bawah penguatan sinyal keluaran yang setara, APD menunjukkan noise rendah dan arus gelap yang lebih rendah. Pada tahun 2016, para peneliti membangun 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 di Zona C memiliki jarak kedalaman tertentu dari Zona A dan B. Platform ini mencapai lebar pulsa kurang dari 10 ns, energi pulsa tunggal yang dapat disesuaikan (1-3) mJ, sudut pandang 2° untuk lensa pemancar dan penerima, laju pengulangan 1 kHz, dan siklus kerja detektor sekitar 60%. Berkat penguatan arus foto internal, respons cepat, ukuran kompak, daya tahan, dan biaya rendah APD, fotodetektor APD dapat mencapai tingkat deteksi yang satu tingkat lebih tinggi daripada fotodetektor PIN. Oleh karena itu, saat ini radar laser utama sebagian besar menggunakan fotodetektor longsoran.