Estructura del fotodetector de InGaAs

Estructura deFotodetector de InGaAs

Desde la década de 1980, investigadores nacionales y extranjeros han estudiado la estructura de los fotodetectores de InGaAs, que se dividen principalmente en tres tipos. Son el fotodetector de metal-semiconductor-metal de InGaAs (MSM-PD), el fotodetector PIN de InGaAs (PIN-PD) y el fotodetector de avalancha de InGaAs (APD-PD). Existen diferencias significativas en el proceso de fabricación y el costo de los fotodetectores de InGaAs con diferentes estructuras, y también existen grandes diferencias en el rendimiento del dispositivo.

El InGaAs metal-semiconductor-metalfotodetector, que se muestra en la Figura (a), es una estructura especial basada en la unión Schottky. En 1992, Shi et al. utilizó tecnología de epitaxia en fase de vapor organometálico de baja presión (LP-MOVPE) para hacer crecer las capas de epitaxia y preparó un fotodetector MSM de InGaAs, que tiene una alta capacidad de respuesta de 0,42 A/W a una longitud de onda de 1,3 μm y una corriente oscura inferior a 5,6 pA/ μm² a 1,5 V. En 1996, zhang et al. utilizaron epitaxia de haz molecular en fase gaseosa (GSMBE) para hacer crecer la capa de epitaxia InAlAs-InGaAs-InP. La capa de InAlAs mostró características de alta resistividad y las condiciones de crecimiento se optimizaron mediante medición de difracción de rayos X, de modo que el desajuste de la red entre las capas de InGaAs e InAlAs estuvo dentro del rango de 1×10⁻³. Esto da como resultado un rendimiento optimizado del dispositivo con una corriente oscura por debajo de 0,75 pA/μm² a 10 V y una respuesta transitoria rápida de hasta 16 ps a 5 V. En general, el fotodetector de estructura MSM es simple y fácil de integrar, y muestra una corriente oscura baja (pA orden), pero el electrodo de metal reducirá el área efectiva de absorción de luz del dispositivo, por lo que la respuesta es menor que otras estructuras.

El fotodetector PIN de InGaAs inserta una capa intrínseca entre la capa de contacto tipo P y la capa de contacto tipo N, como se muestra en la Figura (b), lo que aumenta el ancho de la región de agotamiento, irradiando así más pares de huecos de electrones y formando una fotocorriente más grande, por lo que tiene un excelente rendimiento de conducción de electrones. En 2007, A. Poloczek et al. utilizaron MBE para hacer crecer una capa amortiguadora de baja temperatura para mejorar la rugosidad de la superficie y superar el desajuste de la red entre Si e InP. Se utilizó MOCVD para integrar la estructura PIN de InGaAs en el sustrato InP, y la capacidad de respuesta del dispositivo fue de aproximadamente 0,57 A/W. En 2011, el Laboratorio de Investigación del Ejército (ALR) utilizó fotodetectores PIN para estudiar un generador de imágenes LiDAR para navegación, evitación de obstáculos/colisiones y detección/identificación de objetivos de corto alcance para pequeños vehículos terrestres no tripulados, integrado con un chip amplificador de microondas de bajo costo que mejoró significativamente la relación señal-ruido del fotodetector PIN de InGaAs. Sobre esta base, ALR utilizó en 2012 este generador de imágenes LiDAR para robots, con un alcance de detección de más de 50 m y una resolución de 256 × 128.

Los InGaAsfotodetector de avalanchasEs una especie de fotodetector con ganancia, cuya estructura se muestra en la Figura (c). El par electrón-hueco obtiene suficiente energía bajo la acción del campo eléctrico dentro de la región de duplicación, como para colisionar con el átomo, generar nuevos pares electrón-hueco, formar un efecto de avalancha y multiplicar los portadores de desequilibrio en el material. . En 2013, George M utilizó MBE para cultivar aleaciones de InGaAs e InAlAs emparejadas en celosía sobre un sustrato de InP, utilizando cambios en la composición de la aleación, el espesor de la capa epitaxial y dopaje con energía portadora modulada para maximizar la ionización por electrochoque y minimizar la ionización de los huecos. Con la ganancia de señal de salida equivalente, APD muestra un ruido más bajo y una corriente oscura más baja. En 2016, Sun Jianfeng et al. construyó un conjunto de plataforma experimental de imágenes activas con láser de 1570 nm basada en el fotodetector de avalanchas de InGaAs. El circuito interno defotodetector APDRecibe ecos y emite directamente señales digitales, haciendo que todo el dispositivo sea compacto. Los resultados experimentales se muestran en la FIG. (d) y (e). La figura (d) es una fotografía física del objetivo de la imagen y la figura (e) es una imagen de distancia tridimensional. Se puede ver claramente que el área de la ventana del área c tiene una cierta distancia de profundidad con el área A y b. La plataforma realiza un ancho de pulso inferior a 10 ns, energía de pulso único (1 ~ 3) mJ ajustable, ángulo del campo de la lente receptora de 2°, frecuencia de repetición de 1 kHz, relación de trabajo del detector de aproximadamente el 60 %. Gracias a la ganancia de fotocorriente interna, la respuesta rápida, el tamaño compacto, la durabilidad y el bajo costo del APD, los fotodetectores de APD pueden tener una tasa de detección de un orden de magnitud mayor que los fotodetectores PIN, por lo que el liDAR convencional actual está dominado principalmente por los fotodetectores de avalancha.

En general, con el rápido desarrollo de la tecnología de preparación de InGaAs en el país y en el extranjero, podemos utilizar hábilmente MBE, MOCVD, LPE y otras tecnologías para preparar una capa epitaxial de InGaAs de gran área y alta calidad sobre un sustrato de InP. Los fotodetectores de InGaAs exhiben baja corriente oscura y alta capacidad de respuesta, la corriente oscura más baja es inferior a 0,75 pA/μm², la capacidad de respuesta máxima es de hasta 0,57 A/W y tiene una respuesta transitoria rápida (orden ps). El desarrollo futuro de los fotodetectores de InGaAs se centrará en los dos aspectos siguientes: (1) la capa epitaxial de InGaAs se cultiva directamente sobre un sustrato de Si. En la actualidad, la mayoría de los dispositivos microelectrónicos del mercado están basados ​​en Si, y la tendencia general es el posterior desarrollo integrado de InGaAs y Si. Resolver problemas como el desajuste de la red y la diferencia del coeficiente de expansión térmica es crucial para el estudio de InGaAs/Si; (2) La tecnología de longitud de onda de 1550 nm ya está madura y la longitud de onda extendida (2,0 ~ 2,5) μm es la dirección de investigación futura. Con el aumento de los componentes de In, la falta de coincidencia de la red entre el sustrato de InP y la capa epitaxial de InGaAs provocará dislocaciones y defectos más graves, por lo que es necesario optimizar los parámetros del proceso del dispositivo, reducir los defectos de la red y reducir la corriente oscura del dispositivo.