Будова фотадэтэктара InGaAs

Структура вФотадэтэктар InGaAs

З 1980-х гадоў даследчыкі ў краіне і за мяжой вывучалі структуру фотадэтэктараў InGaAs, якія ў асноўным дзеляцца на тры тыпу. Гэта метал-паўправаднік-металічны фотадэтэктар InGaAs (MSM-PD), PIN-фатадэтэктар InGaAs (PIN-PD) і лавінны фотадэтэктар InGaAs (APD-PD). Існуюць істотныя адрозненні ў працэсе вырабу і кошце фотадэтэктараў InGaAs з рознымі структурамі, а таксама ёсць вялікія адрозненні ў прадукцыйнасці прылады.

Метал-паўправаднік-метал InGaAsфотадэтэктар, паказаны на малюнку (а), уяўляе сабой спецыяльную структуру, заснаваную на злучэнні Шоткі. У 1992 г. Шы і соавт. выкарыстаў тэхналогію парафазнай эпітаксіі металаарганічных рэчываў нізкага ціску (LP-MOVPE) для вырошчвання слаёў эпітаксіі і падрыхтаваў фотадэтэктар MSM InGaAs, які мае высокую спагадлівасць 0,42 А/Вт пры даўжыні хвалі 1,3 мкм і цемнавы ток меншы за 5,6 пА/ мкм² пры 1,5 В. У 1996 г. zhang et al. выкарыстаў газафазную малекулярна-прамянёвую эпітаксію (GSMBE) для вырошчвання слоя эпітаксіі InAlAs-InGaAs-InP. Пласт InAlAs паказаў высокія характарыстыкі ўдзельнага супраціўлення, і ўмовы росту былі аптымізаваны з дапамогай рэнтгенаўскіх дыфракцыйных вымярэнняў, так што неадпаведнасць рашоткі паміж пластамі InGaAs і InAlAs была ў межах 1×10⁻³. Гэта прыводзіць да аптымізаванай прадукцыйнасці прылады з цемнавым токам ніжэй за 0,75 пА/мкм² пры 10 В і хуткай пераходнай рэакцыі да 16 пс пры 5 В. У цэлым фотадэтэктар структуры MSM просты і лёгкі ў інтэграцыі, паказваючы нізкі цемнавы ток (па парадак), але металічны электрод паменшыць эфектыўную плошчу паглынання святла прылады, таму водгук ніжэй, чым у іншых структур.

PIN-фатадэтэктар InGaAs устаўляе ўнутраны пласт паміж кантактным пластом P-тыпу і кантактным пластом N-тыпу, як паказана на малюнку (b), што павялічвае шырыню вобласці знясілення, такім чынам выпраменьваючы больш электронна-дзірачных пар і ўтвараючы большы фотаток, таму ён мае выдатную электронную праводнасць. У 2007 г. A.Poloczek і інш. выкарыстаў MBE для вырошчвання нізкатэмпературнага буфернага пласта для паляпшэння шурпатасці паверхні і пераадолення неадпаведнасці рашоткі паміж Si і InP. MOCVD выкарыстоўваўся для інтэграцыі PIN-структуры InGaAs на падкладцы InP, і хуткасць рэагавання прылады склала каля 0,57 А/Вт. У 2011 годзе Армейская навукова-даследчая лабараторыя (ALR) выкарыстала PIN-фатадэтэктары для вывучэння выявы liDAR для навігацыі, пазбягання перашкод/сутыкненняў і выяўлення/ідэнтыфікацыі мэтаў малой далёкасці для невялікіх беспілотных наземных транспартных сродкаў, інтэграваных з недарагім чыпам мікрахвалевага ўзмацняльніка, які значна палепшыў суадносіны сігнал/шум фотадэтэктара PIN InGaAs. Зыходзячы з гэтага, у 2012 годзе ALR выкарыстаў гэты малюнак liDAR для робатаў з далёкасцю выяўлення больш за 50 м і раздзяленнем 256 × 128.

InGaAsлавінны фотадэтэктарз'яўляецца своеасаблівым фотадэтэктарам з узмацненнем, структура якога паказана на малюнку (в). Электронна-дзіркавая пара атрымлівае дастатковую энергію пад дзеяннем электрычнага поля ўнутры вобласці падваення, каб, сутыкаючыся з атамам, ствараць новыя электронна-дзірачныя пары, утвараць лавінны эфект і памнажаць нераўнаважныя носьбіты ў матэрыяле. . У 2013 годзе Джордж М выкарыстаў MBE для вырошчвання ўзгодненых па рашотцы сплаваў InGaAs і InAlAs на падкладцы InP, выкарыстоўваючы змены ў складзе сплаву, таўшчыню эпітаксіяльнага пласта і легіраванне мадуляванай энергіі носьбіта для максімальнай электрашокавай іянізацыі пры мінімізацыі іянізацыі дзірак. Пры эквівалентным каэфіцыенце ўзмацнення выхаднога сігналу APD паказвае меншы шум і меншы цемнавы ток. У 2016 годзе Сунь Цзяньфэн і інш. пабудаваў камплект эксперыментальнай платформы лазернай актыўнай візуалізацыі 1570 нм на аснове лавіннага фотадэтэктара InGaAs. Унутраная схема аФотадэтэктар APDпрымае рэха і непасрэдна выводзіць лічбавыя сігналы, што робіць усё прылада кампактным. Эксперыментальныя вынікі паказаны на мал. (d) і (e). Малюнак (d) - гэта фізічная фатаграфія мішэні для візуалізацыі, а малюнак (e) - трохмерны відарыс на адлегласці. Ясна відаць, што вобласць акна вобласці c мае пэўную адлегласць па глыбіні з зонай A і b. Платформа рэалізуе працягласць імпульсу менш за 10 нс, рэгулюецца энергія аднаго імпульсу (1 ~ 3) мДж, вугал поля прыёмнай лінзы 2°, частата паўтарэння 1 кГц, каэфіцыент запаўнення дэтэктара каля 60%. Дзякуючы ўнутранаму ўзмацненню фотатоку APD, хуткаму рэагаванню, кампактным памерам, даўгавечнасці і нізкай цане, фотадэтэктары APD могуць быць на парадак вышэй па хуткасці выяўлення, чым фотадэтэктары PIN, таму ў сучасным масавым liDAR у асноўным дамінуюць лавінныя фотадэтэктары.

У цэлым, з хуткім развіццём тэхналогіі падрыхтоўкі InGaAs у краіне і за мяжой, мы можам умела выкарыстоўваць MBE, MOCVD, LPE і іншыя тэхналогіі для падрыхтоўкі высокага эпітаксіяльнага пласта InGaAs вялікай плошчы на ​​падкладцы InP. Фотадэтэктары InGaAs дэманструюць нізкі цемнавы ток і высокую спагадлівасць, самы нізкі цемнавы ток меншы за 0,75 пА/мкм², максімальны ток да 0,57 А/Вт і маюць хуткую пераходную рэакцыю (парадак ps). Будучая распрацоўка фотадэтэктараў InGaAs будзе сканцэнтравана на наступных двух аспектах: (1) эпітаксіяльны пласт InGaAs вырошчваецца непасрэдна на падкладцы Si. У цяперашні час большасць мікраэлектронных прылад на рынку заснавана на Si, і наступная комплексная распрацоўка InGaAs і Si з'яўляецца агульнай тэндэнцыяй. Рашэнне такіх праблем, як неадпаведнасць рашоткі і розніца каэфіцыентаў цеплавога пашырэння, мае вырашальнае значэнне для вывучэння InGaAs/Si; (2) Тэхналогія даўжыні хвалі 1550 нм стала сталай, а пашыраная даўжыня хвалі (2,0 ~ 2,5) мкм з'яўляецца напрамкам будучых даследаванняў. З павелічэннем кампанентаў In неадпаведнасць рашоткі паміж падкладкай InP і эпітаксіяльным пластом InGaAs прывядзе да больш сур'ёзных дыслакацый і дэфектаў, таму неабходна аптымізаваць параметры працэсу прылады, паменшыць дэфекты рашоткі і зменшыць цёмны ток прылады.