Структура фотадэтэктара InGaAs

СтруктураInGaAs фотадэтэктар

З 1980-х гадоў даследчыкі ў краіне і за мяжой вывучаюць структуру фотадэтэктараў InGaAs, якія ў асноўным падзяляюцца на тры тыпы. Гэта фотадэтэктар InGaAs метал-паўправаднік-метал (MSM-PD), PIN-фотадэтэктар InGaAs (PIN-PD) і лавінны фотадэтэктар InGaAs (APD-PD). Існуюць значныя адрозненні ў працэсе вырабу і кошце фотадэтэктараў InGaAs з рознымі структурамі, а таксама вялікія адрозненні ў прадукцыйнасці прылад.

Метал-паўправаднік-метал InGaAsфотадэтэктар, паказаная на малюнку (а), уяўляе сабой спецыяльная структура, заснаваная на пераходзе Шоткі. У 1992 годзе Шы і інш. выкарысталі тэхналогію газафазнай эпітаксіі нізкага ціску з металарганічнымі злучэннямі (LP-MOVPE) для вырошчвання эпітаксіяльных слаёў і падрыхтавалі фотадэтэктар InGaAs MSM, які мае высокую адчувальнасць 0,42 А/Вт пры даўжыні хвалі 1,3 мкм і цёмны ток ніжэй за 5,6 пА/мкм² пры 1,5 В. У 1996 годзе Чжан і інш. выкарысталі газафазную малекулярна-прамянёвую эпітаксію (GSMBE) для вырошчвання эпітаксіяльнага слоя InAlAs-InGaAs-InP. Слой InAlAs прадэманстраваў высокія характарыстыкі супраціўлення, а ўмовы росту былі аптымізаваны з дапамогай рэнтгенаўскай дыфракцыі, так што разыходжанне рашоткі паміж слаямі InGaAs і InAlAs знаходзілася ў межах 1×10⁻³. Гэта прыводзіць да аптымізаванай прадукцыйнасці прылады з цёмным токам ніжэй за 0,75 пА/мкм² пры 10 В і хуткім пераходным працэсам да 16 пс пры 5 В. У цэлым, фотадэтэктар са структурай MSM просты і лёгка інтэгруецца, паказваючы нізкі цёмны ток (парадку пА), але металічны электрод памяншае эфектыўную плошчу паглынання святла прыладай, таму рэакцыя ніжэйшая, чым у іншых структур.

PIN-фотадэтэктар InGaAs устаўляе ўласны пласт паміж кантактным пластом P-тыпу і кантактным пластом N-тыпу, як паказана на малюнку (b), што павялічвае шырыню вобласці знясілення, тым самым выпраменьваючы больш электронна-дзіркавых пар і фарміруючы большы фотаток, таму ён мае выдатныя характарыстыкі электроннай праводнасці. У 2007 годзе А. Полачэк і інш. выкарысталі MBE для вырошчвання нізкатэмпературнага буфернага пласта, каб палепшыць шурпатасць паверхні і пераадолець неадпаведнасць рашоткі паміж Si і InP. MOCVD быў выкарыстаны для інтэграцыі PIN-структуры InGaAs на падложку InP, і хуткасць рэакцыі прылады склала каля 0,57 А/Вт. У 2011 годзе Даследчая лабараторыя арміі (ALR) выкарыстала PIN-фотадэтэктары для вывучэння лідарнага візуалізатара для навігацыі, пазбягання перашкод/сутыкненняў і выяўлення/ідэнтыфікацыі цэляў на блізкай адлегласці для невялікіх беспілотных наземных транспартных сродкаў, інтэграванага з недарагім мікрахвалевым узмацняльнікам, які значна палепшыў суадносіны сігнал/шум PIN-фотадэтэктара InGaAs. Зыходзячы з гэтага, у 2012 годзе ALR выкарыстала гэты лідарны прыбор для робатаў з далёкасцю выяўлення больш за 50 м і дазволам 256 × 128.

InGaAsлавінны фотадэтэктар— гэта від фотадэтэктара з каэфіцыентам узмацнення, структура якога паказана на малюнку (c). Электронна-дзіркавая пара атрымлівае дастатковую энергію пад дзеяннем электрычнага поля ўнутры вобласці падваення, каб сутыкнуцца з атамам, стварыць новыя электронна-дзіркавыя пары, сфармаваць лавінны эфект і памнажыць нераўнаважныя носьбіты ў матэрыяле. У 2013 годзе Джордж М. выкарыстаў МБЭ для вырошчвання сплаваў InGaAs і InAlAs з супастаўленнем рашотак на падложцы InP, выкарыстоўваючы змены ў складзе сплаву, таўшчыні эпітаксіяльнага пласта і легіраванне для мадуляцыі энергіі носьбітаў, каб максымізаваць іанізацыю электрашокам і мінімізаваць іанізацыю дзірак. Пры эквівалентным узмацненні выходнага сігналу лавінны фотадэтэктар дэманструе меншы шум і меншы цёмны ток. У 2016 годзе Сунь Цзяньфэн і інш. пабудавалі набор эксперыментальнай платформы для актыўнай лазернай візуалізацыі з даўжынёй хвалі 1570 нм на аснове лавіннага фотадэтэктара InGaAs. Унутраная схема...Фотадэтэктар APDпрымаў рэха і непасрэдна выводзіў лічбавыя сігналы, што робіць усю прыладу кампактнай. Вынікі эксперыментаў паказаны на мал. (d) і (e). Малюнак (d) — гэта фізічная фатаграфія цэлі візуалізацыі, а малюнак (e) — трохмерны малюнак адлегласці. Добра відаць, што вобласць акна вобласці c мае пэўную глыбіню адлегласці з вобласцю A і b. Платформа рэалізуе шырыню імпульсу менш за 10 нс, рэгуляваную энергію аднаго імпульсу (1 ~ 3) мДж, кут поля прыёмнай лінзы 2°, частату паўтарэння 1 кГц, каэфіцыент запаўнення дэтэктара каля 60%. Дзякуючы ўнутранаму ўзмацненню фотатоку APD, хуткаму водгуку, кампактным памерам, даўгавечнасці і нізкай кошту, фотадэтэктары APD могуць мець на парадак вышэйшую хуткасць выяўлення, чым фотадэтэктары PIN, таму ў цяперашні час асноўныя лідарныя прыборы ў асноўным складаюцца з лавінных фотадэтэктараў.

У цэлым, з хуткім развіццём тэхналогіі падрыхтоўкі InGaAs у краіне і за мяжой, мы можам умела выкарыстоўваць тэхналогіі MBE, MOCVD, LPE і іншыя для падрыхтоўкі вялікай плошчы высакаякаснага эпітаксіяльнага пласта InGaAs на падложцы InP. Фотадэтэктары InGaAs дэманструюць нізкі цёмны ток і высокую адчувальнасць, самы нізкі цёмны ток ніжэй за 0,75 пА/мкм², максімальны адчувальнасць дасягае 0,57 А/Вт і маюць хуткую пераходную характарыстыку (парадку ps). Будучае развіццё фотадэтэктараў InGaAs будзе сканцэнтравана на наступных двух аспектах: (1) Эпітаксіяльны пласт InGaAs вырошчваецца непасрэдна на падложцы Si. У цяперашні час большасць мікраэлектронных прылад на рынку выраблены на аснове Si, і наступная інтэграваная распрацоўка на аснове 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 з'яўляецца сталай, і пашыраная даўжыня хвалі (2,0 ~ 2,5) мкм з'яўляецца будучым напрамкам даследаванняў. З павелічэннем колькасці кампанентаў In, неадпаведнасць рашоткі паміж падложкай InP і эпітаксіяльным пластом InGaAs прывядзе да больш сур'ёзных дыслакацый і дэфектаў, таму неабходна аптымізаваць параметры працэсу вырабу прылады, паменшыць дэфекты рашоткі і знізіць цёмны ток прылады.