Estrutura do fotodetector InGaAs

Estrutura deFotodetector InGaAs

Desde a década de 1980, pesquisadores nacionais e internacionais têm estudado a estrutura dos fotodetectores de InGaAs, que são divididos principalmente em três tipos: fotodetector metal-semicondutor-metal (MSM-PD), fotodetector PIN (PIN-PD) e fotodetector de avalanche (APD-PD). Existem diferenças significativas no processo de fabricação e no custo dos fotodetectores de InGaAs com diferentes estruturas, bem como grandes diferenças no desempenho dos dispositivos.

A estrutura metal-semicondutor-metal InGaAsfotodetectorA estrutura mostrada na Figura (a) é uma estrutura especial baseada na junção Schottky. Em 1992, Shi et al. utilizaram a tecnologia de epitaxia em fase vapor metalorgânica a baixa pressão (LP-MOVPE) para o crescimento de camadas epitaxiais e prepararam um fotodetector MSM de InGaAs, que apresenta alta responsividade de 0,42 A/W em um comprimento de onda de 1,3 μm e corrente escura inferior a 5,6 pA/μm² a 1,5 V. Em 1996, Zhang et al. utilizaram a epitaxia por feixe molecular em fase gasosa (GSMBE) para o crescimento da camada epitaxial de InAlAs-InGaAs-InP. A camada de InAlAs apresentou alta resistividade e as condições de crescimento foram otimizadas por difração de raios X, de modo que a diferença de parâmetros de rede entre as camadas de InGaAs e InAlAs ficou na faixa de 1×10⁻³. Isso resulta em desempenho otimizado do dispositivo, com corrente escura abaixo de 0,75 pA/μm² a 10 V e resposta transiente rápida de até 16 ps a 5 V. No geral, o fotodetector com estrutura MSM é simples e fácil de integrar, apresentando baixa corrente escura (da ordem de pA), mas o eletrodo metálico reduz a área efetiva de absorção de luz do dispositivo, resultando em uma resposta inferior à de outras estruturas.

O fotodetector PIN de InGaAs insere uma camada intrínseca entre a camada de contato tipo P e a camada de contato tipo N, conforme mostrado na Figura (b), o que aumenta a largura da região de depleção, irradiando assim mais pares elétron-buraco e formando uma fotocorrente maior, resultando em excelente desempenho de condução eletrônica. Em 2007, A. Poloczek et al. utilizaram MBE para crescer uma camada tampão de baixa temperatura, a fim de melhorar a rugosidade da superfície e superar a incompatibilidade de rede entre Si e InP. A MOCVD foi utilizada para integrar a estrutura PIN de InGaAs no substrato de InP, e a responsividade do dispositivo foi de aproximadamente 0,57 A/W. Em 2011, o Laboratório de Pesquisa do Exército (ALR) utilizou fotodetectores PIN para estudar um sistema de imagem LiDAR para navegação, prevenção de obstáculos/colisões e detecção/identificação de alvos de curto alcance para pequenos veículos terrestres não tripulados, integrado a um chip amplificador de micro-ondas de baixo custo que melhorou significativamente a relação sinal-ruído do fotodetector PIN de InGaAs. Com base nisso, em 2012, a ALR utilizou esse sensor LiDAR para robôs, com um alcance de detecção de mais de 50 m e uma resolução de 256 × 128.

Os InGaAsfotodetector de avalancheé um tipo de fotodetector com ganho, cuja estrutura é mostrada na Figura (c). O par elétron-buraco obtém energia suficiente sob a ação do campo elétrico dentro da região de duplicação, de modo a colidir com o átomo, gerar novos pares elétron-buraco, formar um efeito de avalanche e multiplicar os portadores de carga fora do equilíbrio no material. Em 2013, George M utilizou MBE para crescer ligas de InGaAs e InAlAs com rede cristalina compatível em um substrato de InP, usando mudanças na composição da liga, espessura da camada epitaxial e dopagem para modular a energia dos portadores de carga, maximizando a ionização por choque elétrico e minimizando a ionização por buracos. Com o mesmo ganho de sinal de saída, o APD apresenta menor ruído e menor corrente escura. Em 2016, Sun Jianfeng et al. construíram uma plataforma experimental de imagem ativa a laser de 1570 nm baseada no fotodetector de avalanche de InGaAs. O circuito interno doFotodetector APDOs ecos recebidos geram sinais digitais de saída direta, tornando todo o dispositivo compacto. Os resultados experimentais são mostrados nas Figuras (d) e (e). A Figura (d) é uma foto física do alvo de imagem e a Figura (e) é uma imagem tridimensional da distância. Pode-se observar claramente que a área da janela (área c) possui uma certa distância de profundidade em relação às áreas A e b. A plataforma realiza pulsos com largura inferior a 10 ns, energia de pulso único ajustável de 1 a 3 mJ, ângulo de campo da lente receptora de 2°, frequência de repetição de 1 kHz e ciclo de trabalho do detector de aproximadamente 60%. Graças ao ganho de fotocorrente interno do APD, à resposta rápida, ao tamanho compacto, à durabilidade e ao baixo custo, os fotodetectores APD podem apresentar uma taxa de detecção uma ordem de magnitude maior do que os fotodetectores PIN, razão pela qual o LiDAR convencional atual é dominado principalmente por fotodetectores de avalanche.

De modo geral, com o rápido desenvolvimento da tecnologia de preparação de InGaAs no país e no exterior, podemos usar habilmente tecnologias como MBE, MOCVD, LPE e outras para preparar camadas epitaxiais de InGaAs de alta qualidade e em grandes áreas sobre substrato de InP. Os fotodetectores de InGaAs exibem baixa corrente escura e alta responsividade, com a menor corrente escura inferior a 0,75 pA/μm², a responsividade máxima chegando a 0,57 A/W e uma resposta transiente rápida (da ordem de picossegundos). O desenvolvimento futuro dos fotodetectores de InGaAs se concentrará nos dois aspectos seguintes: (1) Camada epitaxial de InGaAs cultivada diretamente sobre substrato de Si. Atualmente, a maioria dos dispositivos microeletrônicos no mercado é baseada em Si, e o desenvolvimento integrado subsequente de InGaAs e Si é a tendência geral. Resolver problemas como a incompatibilidade de rede cristalina e a diferença no coeficiente de expansão térmica é crucial para o estudo de InGaAs/Si; (2) A tecnologia de comprimento de onda de 1550 nm atingiu a maturidade, e o comprimento de onda estendido (2,0 ~ 2,5) μm é a futura direção de pesquisa. Com o aumento dos componentes de In, a incompatibilidade da rede cristalina entre o substrato de InP e a camada epitaxial de InGaAs levará a um aumento significativo de deslocamentos e defeitos, sendo necessário otimizar os parâmetros do processo de fabricação do dispositivo, reduzir os defeitos da rede cristalina e diminuir a corrente escura do dispositivo.