Struktur vum InGaAs Photodetektor

Struktur vunInGaAs Photodetektor

Zënter den 1980er Joren hunn d'Fuerscher am In- an Ausland d'Struktur vun InGaAs-Photodetekteren ënnersicht, déi haaptsächlech an dräi Typen agedeelt ginn. Dat sinn den InGaAs Metall-Hallefleiter-Metall-Photodetekter (MSM-PD), den InGaAs PIN-Photodetekter (PIN-PD) an den InGaAs Lawinen-Photodetekter (APD-PD). Et gëtt bedeitend Ënnerscheeder am Fabrikatiounsprozess an de Käschte vun InGaAs-Photodetekteren mat verschiddene Strukturen, an et gëtt och grouss Ënnerscheeder an der Leeschtung vun den Apparater.

Den InGaAs Metall-Hallefleiter-MetallFotodetektor, déi an der Figur (a) gewisen ass, ass eng speziell Struktur baséiert op der Schottky-Iwwergank. Am Joer 1992 hunn de Shi et al. d'Technologie vun der metallorganescher Gasphase-Epitaxie ënner niddregem Drock (LP-MOVPE) benotzt fir Epitaxischichten ze wuessen an hunn en InGaAs MSM-Fotodetektor virbereet, deen eng héich Reaktiounsfäegkeet vun 0,42 A/W bei enger Wellelängt vun 1,3 μm an en Däischterstroum ënner 5,6 pA/μm² bei 1,5 V huet. Am Joer 1996 hunn den zhang et al. d'Gasphase-Molekularstrahl-Epitaxie (GSMBE) benotzt fir d'InAlAs-InGaAs-InP-Epitaxischicht ze wuessen. D'InAlAs-Schicht huet héich Widderstandseigenschaften gewisen, an d'Wuesstumsbedingunge goufen duerch Röntgendiffraktiounsmiessung optimiséiert, sou datt d'Gittermismatch tëscht den InGaAs- an den InAlAs-Schichten am Beräich vun 1×10⁻³ louch. Dëst resultéiert an enger optiméierter Leeschtung vum Apparat mat engem Däischterstroum ënner 0,75 pA/μm² bei 10 V an enger schneller transienter Äntwert vu bis zu 16 ps bei 5 V. Am Groussen a Ganzen ass de MSM-Struktur-Photodetektor einfach an einfach z'integréieren, a weist e niddrege Däischterstroum (pA-Uerdnung), awer d'Metallelektrode reduzéiert déi effektiv Liichtabsorptiounsfläch vum Apparat, sou datt d'Äntwert méi niddreg ass wéi bei anere Strukturen.

Den InGaAs PIN Photodetektor setzt eng intrinsesch Schicht tëscht der P-Typ Kontaktschicht an der N-Typ Kontaktschicht an, wéi an der Figur (b) gewisen, wat d'Breet vun der Ofbauregioun erhéicht, wouduerch méi Elektron-Lach-Pairen ausgestraalt ginn an e gréissere Photostroum entsteet, sou datt en eng exzellent Elektroneleitleistung huet. Am Joer 2007 hunn den A.Poloczek et al. MBE benotzt fir eng Niddregtemperatur-Pufferschicht ze wuessen, fir d'Uewerflächenrauheet ze verbesseren an d'Gittermismatch tëscht Si an InP ze iwwerwannen. MOCVD gouf benotzt fir d'InGaAs PIN Struktur um InP Substrat z'integréieren, an d'Reaktiounsfäegkeet vum Apparat war ongeféier 0,57 A /W. Am Joer 2011 huet den Army Research Laboratory (ALR) PIN Photodetektoren benotzt fir en LiDAR Imager fir Navigatioun, Hindernis-/Kollisiounsvermeidung an Detektioun/Identifikatioun vun Ziler op kuerzer Distanz fir kleng onbemannt Buedemfahrzeuge z'ënnersichen, integréiert mat engem bëllegen Mikrowellenverstärkerchip, deen de Signal-Rausch-Verhältnis vum InGaAs PIN Photodetektor däitlech verbessert huet. Op dëser Basis huet ALR am Joer 2012 dësen LiDAR-Bildgerät fir Roboter benotzt, mat engem Detektiounsberäich vu méi wéi 50 m an enger Opléisung vun 256 × 128.

D'InGaAsLawinen-Fotodetektorass eng Zort Photodetektor mat Verstärkung, deem seng Struktur an der Figur (c) gewisen ass. D'Elektron-Lach-Paar kritt genuch Energie ënner der Aktioun vum elektresche Feld an der Verdueblungregioun, fir mam Atom ze kollidéieren, nei Elektron-Lach-Paarer ze generéieren, en Lawineneffekt ze bilden an d'Net-Gläichgewiichtsträger am Material ze multiplizéieren. Am Joer 2013 huet de George M. MBE benotzt fir Gitter-vergläichbar InGaAs- an InAlAs-Legierungen op engem InP-Substrat ze wuessen, andeems hien Ännerungen an der Legierungszesummesetzung, der epitaktischer Schichtdicke an dem Dotéiere vun der moduléierter Trägerenergie benotzt huet, fir d'Elektroschockioniséierung ze maximéieren an d'Lachioniséierung ze minimiséieren. Beim gläichwäertege Verstärkung vum Ausgangssignal weist APD méi niddrege Rauschen a méi niddrege Däischterstroum. Am Joer 2016 hunn de Sun Jianfeng et al. e Set vun enger 1570 nm Laseraktivbildgebungs-Experimentalplattform baséiert op dem InGaAs Lawinenphotodetektor gebaut. Den internen Circuit vunAPD-Fotodetektorempfaangen Echoen an direkt digital Signaler ausginn, wouduerch den ganzen Apparat kompakt gëtt. Déi experimentell Resultater sinn an der FIG. (d) an (e) gewisen. Figur (d) ass eng physikalesch Foto vum Bildgebungsziel, an Figur (e) ass en dräidimensionalt Distanzbild. Et ass kloer ze gesinn, datt d'Fënsterfläch vum Beräich c eng gewëssen Déiftdistanz mat Beräich A a b huet. D'Plattform realiséiert eng Pulsbreet vu manner wéi 10 ns, eng justierbar Eenzelpulsenergie (1 ~ 3) mJ, en Empfangslensfeldwénkel vun 2°, eng Widderhuelungsfrequenz vun 1 kHz, en Detektorduty Ratio vu ronn 60%. Dank dem internen Photostroumverstärkung vun APD, der schneller Reaktioun, der kompakter Gréisst, der Haltbarkeet an dem niddrege Käschte kënnen APD-Fotodetektoren eng Gréisstenuerdnung méi héich an der Detektiounsquote sinn wéi PIN-Fotodetektoren, sou datt den aktuellen Mainstream-LiDAR haaptsächlech vun Lawinenfotodetektoren dominéiert gëtt.

Insgesamt kënne mir mat der schneller Entwécklung vun der InGaAs-Virbereedungstechnologie doheem an am Ausland MBE, MOCVD, LPE an aner Technologien gekonnt benotzen, fir eng groussflächeg héichqualitativ InGaAs-Epitaxialschicht op InP-Substrat ze preparéieren. InGaAs-Fotodetektoren weisen e niddrege Däischterstroum an eng héich Reaktiounsfäegkeet op, de niddregsten Däischterstroum ass méi niddreg wéi 0,75 pA/μm², déi maximal Reaktiounsfäegkeet ass bis zu 0,57 A/W, an hunn eng séier transient Reaktioun (ps-Uerdnung). Déi zukünfteg Entwécklung vun InGaAs-Fotodetektoren wäert sech op déi folgend zwee Aspekter konzentréieren: (1) D'InGaAs-Epitaxialschicht gëtt direkt op Si-Substrat ugebaut. Am Moment baséieren déi meescht mikroelektronesch Apparater um Maart op Si, an déi spéider integréiert Entwécklung vun InGaAs a Si-baséiert ass den allgemengen Trend. D'Léisung vu Problemer wéi Gittermismatch an Differenzen am thermeschen Ausdehnungskoeffizient ass entscheedend fir d'Studie vun InGaAs/Si; (2) D'1550 nm Wellelängtetechnologie ass reif, an déi verlängert Wellelängt (2,0 ~ 2,5) μm ass déi zukünfteg Fuerschungsrichtung. Mat der Zunahme vun In-Komponenten wäert d'Gittermismatch tëscht dem InP-Substrat an der InGaAs-Epitaxialschicht zu méi eeschte Verrécklungen a Defekter féieren, dofir ass et néideg, d'Prozessparameter vum Apparat ze optimiséieren, d'Gitterdefekter ze reduzéieren an den Däischterstroum vum Apparat ze reduzéieren.