Estructura defotodetector InGaAs
Desde la década de 1980, investigadores nacionales e internacionales han estudiado la estructura de los fotodetectores InGaAs, que se dividen principalmente en tres tipos: fotodetector metal-semiconductor-metal InGaAs (MSM-PD), fotodetector PIN InGaAs (PIN-PD) y fotodetector de avalancha InGaAs (APD-PD). Existen diferencias significativas en el proceso de fabricación y el costo de los fotodetectores InGaAs con distintas estructuras, así como grandes diferencias en su rendimiento.
La interfaz metal-semiconductor-metal de InGaAsfotodetectorLa estructura mostrada en la Figura (a) se basa en una unión Schottky. En 1992, Shi et al. emplearon la tecnología de epitaxia en fase vapor metalorgánica a baja presión (LP-MOVPE) para el crecimiento de capas epitaxiales y prepararon un fotodetector MSM de InGaAs, el cual presenta una alta responsividad 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 haces moleculares en fase gaseosa (GSMBE) para el crecimiento de la capa epitaxial de InAlAs-InGaAs-InP. La capa de InAlAs mostró características de alta resistividad, y las condiciones de crecimiento se optimizaron mediante difracción de rayos X, de modo que el desajuste de red entre las capas de InGaAs e InAlAs se situó dentro del rango de 1 × 10⁻³. Esto da como resultado un rendimiento optimizado del dispositivo con una corriente oscura inferior a 0,75 pA/μm² a 10 V y una respuesta transitoria rápida de hasta 16 ps a 5 V. En general, el fotodetector con estructura MSM es sencillo y fácil de integrar, mostrando una baja corriente oscura (del orden de pA), pero el electrodo metálico reduce el área efectiva de absorción de luz del dispositivo, por lo que la respuesta es menor que la de 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). Esto aumenta el ancho de la región de agotamiento, lo que permite la emisión de más pares electrón-hueco y la formación de una mayor fotocorriente, resultando en una excelente conductividad electrónica. En 2007, A. Poloczek et al. utilizaron MBE para el crecimiento de una capa amortiguadora a baja temperatura, con el fin de mejorar la rugosidad superficial y superar el desajuste de red entre Si e InP. Se empleó MOCVD para integrar la estructura PIN de InGaAs sobre el sustrato de InP, obteniéndose una responsividad del dispositivo 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, detección de obstáculos y colisiones, y detección/identificación de objetivos a corta distancia para pequeños vehículos terrestres no tripulados. Este generador se integró con un chip amplificador de microondas de bajo costo que mejoró significativamente la relación señal/ruido del fotodetector PIN InGaAs. En 2012, el ALR empleó este generador de imágenes LiDAR en robots, con un alcance de detección superior a 50 m y una resolución de 256 × 128.
El InGaAsfotodetector de avalanchaEs un tipo de fotodetector con ganancia, cuya estructura se muestra en la Figura (c). El par electrón-hueco adquiere suficiente energía bajo la acción del campo eléctrico dentro de la región de duplicación, lo que le permite colisionar con el átomo, generar nuevos pares electrón-hueco, producir un efecto avalancha y multiplicar los portadores fuera del equilibrio en el material. En 2013, George M utilizó MBE para cultivar aleaciones de InGaAs e InAlAs con ajuste de red sobre un sustrato de InP, modulando la energía de los portadores mediante variaciones en la composición de la aleación, el espesor de la capa epitaxial y el dopaje, para maximizar la ionización por electrochoque y minimizar la ionización de huecos. Con una ganancia de señal de salida equivalente, el 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 InGaAs. El circuito interno defotodetector APDRecibe ecos y emite directamente señales digitales, lo que permite que el dispositivo sea compacto. Los resultados experimentales se muestran en las figuras (d) y (e). La figura (d) es una fotografía del objetivo de imagen, y la figura (e) es una imagen de distancia tridimensional. Se observa claramente que la ventana del área c presenta una cierta profundidad con respecto a las áreas A y b. La plataforma permite un ancho de pulso inferior a 10 ns, una energía de pulso único ajustable de 1 a 3 mJ, un ángulo de campo de la lente receptora de 2°, una frecuencia de repetición de 1 kHz y un ciclo 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 de los fotodetectores APD, estos ofrecen una tasa de detección un orden de magnitud superior a la de los fotodetectores PIN. Por ello, la tecnología LiDAR convencional actual se basa principalmente en fotodetectores de avalancha.
En general, gracias al rápido desarrollo de la tecnología de preparación de InGaAs tanto a nivel nacional como internacional, podemos utilizar con destreza tecnologías como MBE, MOCVD y LPE para preparar capas epitaxiales de InGaAs de alta calidad y gran superficie sobre sustratos de InP. Los fotodetectores de InGaAs presentan una baja corriente oscura y una alta sensibilidad, con una corriente oscura mínima inferior a 0,75 pA/μm², una sensibilidad máxima de hasta 0,57 A/W y una respuesta transitoria rápida (del orden de picosegundos). El desarrollo futuro de los fotodetectores de InGaAs se centrará en los dos aspectos siguientes: (1) Crecimiento directo de capas epitaxiales de InGaAs sobre sustratos de Si. Actualmente, la mayoría de los dispositivos microelectrónicos del mercado se basan en Si, y la tendencia general es el desarrollo integrado de tecnologías basadas en InGaAs y Si. Resolver problemas como el desajuste de la red cristalina y la diferencia en el coeficiente de expansión térmica es crucial para el estudio de InGaAs/Si; (2) La tecnología de longitud de onda de 1550 nm está consolidada, y la extensión de la longitud de onda (2,0 ~ 2,5 μm) constituye la línea de investigación futura. Con el aumento de los componentes de indio, el desajuste de la red cristalina entre el sustrato de InP y la capa epitaxial de InGaAs provocará dislocaciones y defectos más graves; por lo tanto, es necesario optimizar los parámetros del proceso de fabricación del dispositivo, reducir los defectos de la red cristalina y disminuir la corriente oscura del dispositivo.
Fecha de publicación: 6 de mayo de 2024