La estructura deFotodetector de InGaAs
Desde la década de 1980, los investigadores han estado estudiando la estructura de los fotodetectores de InGaAs, que se pueden resumir en tres tipos principales: InGaAs metal semiconductor metalfotodetectores(MSM-PD), InGaAsfotodetectores PIN(PIN-PD) e InGaAsfotodetectores de avalanchas(APD-PD). Existen diferencias significativas en el proceso de producción y el costo de los fotodetectores de InGaAs con diferentes estructuras, y también existen diferencias significativas en el rendimiento del dispositivo.
En la figura se muestra el diagrama esquemático de la estructura del fotodetector metal-semiconductor-metal de InGaAs, que es una estructura especial basada en una unión Schottky. En 1992, Shi et al. utilizaron la tecnología de epitaxia en fase de vapor metalorgánico a baja presión (LP-MOVPE) para cultivar capas epitaxiales y preparar fotodetectores MSM de InGaAs. El dispositivo tiene una alta responsividad de 0,42 A/W a una longitud de onda de 1,3 μm y una corriente oscura de menos de 5,6 pA/μm² a 1,5 V. En 1996, los investigadores utilizaron epitaxia de haces moleculares en fase gaseosa (GSMBE) para cultivar capas epitaxiales de InAlAs, InGaAs e InP, que exhibieron características de alta resistividad. Las condiciones de crecimiento se optimizaron mediante mediciones de difracción de rayos X, lo que resultó en un desajuste de red entre las capas de InGaAs e InAlAs dentro del rango de 1 × 10⁻³. Como resultado, se optimizó el rendimiento del dispositivo, con una corriente oscura inferior a 0,75 pA/μm² a 10 V y una respuesta transitoria rápida de 16 ps a 5 V. En general, el fotodetector con estructura MSM tiene una estructura simple y fácil de integrar, que presenta una corriente oscura más baja (del orden de pA), pero el electrodo metálico reduce el área efectiva de absorción de luz del dispositivo, lo que resulta en una menor responsividad en comparación con otras estructuras.
El fotodetector PIN de InGaAs tiene una capa intrínseca insertada entre la capa de contacto de tipo P y la capa de contacto de tipo N, como se muestra en la figura, lo que aumenta el ancho de la región de agotamiento, irradiando así más pares electrón-hueco y formando una fotocorriente mayor, exhibiendo así una excelente conductividad electrónica. En 2007, los investigadores utilizaron MBE para cultivar capas tampón de baja temperatura, mejorando la rugosidad de la superficie y superando el desajuste de red entre Si e InP. Integraron estructuras PIN de InGaAs en sustratos de InP utilizando MOCVD, y la responsividad del dispositivo fue de aproximadamente 0,57 A/W. En 2011, los investigadores utilizaron fotodetectores PIN para desarrollar un dispositivo de imágenes LiDAR de corto alcance para navegación, evitación de obstáculos/colisiones y detección/reconocimiento de objetivos de pequeños vehículos terrestres no tripulados. El dispositivo se integró con un chip amplificador de microondas de bajo costo, mejorando significativamente la relación señal-ruido de los fotodetectores PIN de InGaAs. Sobre esta base, en 2012, los investigadores aplicaron este dispositivo de imágenes LiDAR a robots, con un alcance de detección de más de 50 metros y una resolución aumentada a 256 × 128.
El fotodetector de avalancha de InGaAs es un tipo de fotodetector con ganancia, como se muestra en el diagrama de estructura. Los pares electrón-hueco obtienen suficiente energía bajo la acción del campo eléctrico dentro de la región de duplicación y colisionan con los átomos para generar nuevos pares electrón-hueco, formando un efecto de avalancha y duplicando los portadores de carga en desequilibrio en el material. En 2013, los investigadores utilizaron MBE para cultivar aleaciones de InGaAs e InAlAs con coincidencia de red en sustratos de InP, modulando la energía de los portadores a través de cambios en la composición de la aleación, el espesor de la capa epitaxial y el dopaje, maximizando la ionización por choque electromagnético y minimizando la ionización de huecos. Bajo una ganancia de señal de salida equivalente, el APD exhibe bajo ruido y menor corriente oscura. En 2016, los investigadores construyeron una plataforma experimental de imágenes activas láser de 1570 nm basada en fotodetectores de avalancha de InGaAs. El circuito interno delfotodetector APDRecibe ecos y emite señales digitales directamente, lo que hace que todo 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 de distancia tridimensional. Se puede ver claramente que el área de la ventana en la Zona C tiene una cierta distancia de profundidad de las Zonas A y B. Esta plataforma logra un ancho de pulso de menos de 10 ns, energía de pulso único ajustable (1-3) mJ, un ángulo de campo de visión de 2° para las lentes de transmisión y recepción, una frecuencia de repetición de 1 kHz y un ciclo de trabajo del detector de aproximadamente 60%. Gracias a la ganancia de fotocorriente interna, respuesta rápida, tamaño compacto, durabilidad y bajo costo del APD, los fotodetectores APD pueden lograr una tasa de detección que es un orden de magnitud mayor que los fotodetectores PIN. Por lo tanto, actualmente el radar láser convencional utiliza principalmente fotodetectores de avalancha.
Fecha de publicación: 11 de febrero de 2026