Estructura deFotodetector de InGaAs
Desde la década de 1980, investigadores nacionales e internacionales han estudiado la estructura de los fotodetectores de InGaAs, que se dividen principalmente en tres tipos: fotodetector de metal-semiconductor-metal de InGaAs (MSM-PD), fotodetector PIN de InGaAs (PIN-PD) y fotodetector de avalancha de InGaAs (APD-PD). Existen diferencias significativas en el proceso de fabricación y el coste de los fotodetectores de InGaAs con diferentes estructuras, así como en el rendimiento del dispositivo.
El metal-semiconductor-metal InGaAsfotodetector, que se muestra en la Figura (a), es una estructura especial basada en la unión Schottky. En 1992, Shi et al. utilizaron la tecnología de epitaxia en fase de vapor metalorgánica de baja presión (LP-MOVPE) para cultivar capas de epitaxia y prepararon 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 la epitaxia de haz molecular en fase gaseosa (GSMBE) para cultivar 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 reticular 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, mostrando una corriente oscura baja (orden pA), pero el electrodo de metal reducirá el área de absorción de luz efectiva del dispositivo, por lo que la respuesta es menor que otras estructuras.
El fotodetector PIN de InGaAs inserta una capa intrínseca entre las capas de contacto de tipo P y tipo N, como se muestra en la Figura (b). Esto aumenta el ancho de la región de agotamiento, radiando así más pares electrón-hueco y formando una mayor fotocorriente, lo que le confiere un excelente rendimiento de conducción electrónica. En 2007, A. Poloczek et al. utilizaron MBE para desarrollar una capa amortiguadora de baja temperatura con el fin de mejorar la rugosidad superficial y superar el desajuste reticular entre Si e InP. Se utilizó MOCVD para integrar la estructura PIN de InGaAs en el sustrato de 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, prevención de obstáculos y colisiones, y detección e identificación de objetivos a corto alcance para pequeños vehículos terrestres no tripulados. Este generador, integrado con un chip amplificador de microondas de bajo coste, mejoró significativamente la relación señal-ruido del fotodetector PIN de InGaAs. En base a esto, en 2012, ALR utilizó este generador de imágenes LIDAR para robots, con un alcance de detección de más de 50 m y una resolución de 256 × 128.
El InGaAsfotodetector de avalanchasEs un tipo 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 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 desarrollar aleaciones de InGaAs e InAlAs con red acoplada sobre un sustrato de InP. Mediante cambios en la composición de la aleación, el espesor de la capa epitaxial y dopaje para modular la energía del portador, se maximiza la ionización por electrochoque y se minimiza la ionización por huecos. Con la ganancia de señal de salida equivalente, el fotodetector de avalancha (APD) presenta menor ruido y menor corriente oscura. En 2016, Sun Jianfeng et al. construyeron una plataforma experimental de imagen activa láser de 1570 nm basada en el fotodetector de avalancha de InGaAs. El circuito interno deFotodetector APDRecibe ecos y emite señales digitales directamente, lo que hace que el dispositivo sea compacto. Los resultados experimentales se muestran en las figuras (d) y (e). La figura (d) es una foto física del objetivo de imagen, y la figura (e) es una imagen tridimensional de la distancia. Se puede ver claramente que el área de la ventana del área c tiene una cierta distancia de profundidad con las áreas A y b. La plataforma logra un ancho de pulso menor a 10 ns, energía de pulso único ajustable (1 ~ 3) mJ, ángulo de campo de la lente receptora de 2°, frecuencia de repetición de 1 kHz, ciclo de trabajo del detector de aproximadamente el 60%. Gracias a la ganancia de fotocorriente interna del APD, su rápida respuesta, tamaño compacto, durabilidad y bajo costo, los fotodetectores APD pueden tener una tasa de detección un orden de magnitud mayor que los fotodetectores PIN, por lo que el LIDAR convencional actual está dominado principalmente por fotodetectores de avalancha.
En general, con el rápido desarrollo de la tecnología de preparación de InGaAs a nivel nacional e internacional, podemos utilizar hábilmente MBE, MOCVD, LPE y otras tecnologías para preparar una capa epitaxial de InGaAs de alta calidad y gran superficie sobre un sustrato de InP. Los fotodetectores de InGaAs presentan una corriente oscura baja y una 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 se basan en Si, y el posterior desarrollo integrado de InGaAs y Si es la tendencia general. Resolver problemas como el desajuste de 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 ha alcanzado su madurez, y la longitud de onda extendida (2,0 ~ 2,5) μm es la línea de investigación futura. Con el aumento de los componentes de In, el desajuste reticular 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 de proceso del dispositivo, reducir los defectos reticulares y la corriente oscura del dispositivo.
Hora de publicación: 06 de mayo de 2024