Estrutura do fotodetector InGaAs

Estrutura deFotodetector InGaAs

Desde a década de 1980, pesquisadores nacionais e internacionais estudam a estrutura dos fotodetectores de InGaAs, que se dividem principalmente em três tipos: fotodetector metal-semicondutor-metal de InGaAs (MSM-PD), fotodetector PIN de InGaAs (PIN-PD) e fotodetector de avalanche de InGaAs (APD-PD). Existem diferenças significativas no processo de fabricação e no custo dos fotodetectores de InGaAs com diferentes estruturas, e também existem grandes diferenças no desempenho do dispositivo.

O metal-semicondutor-metal InGaAsfotodetector, mostrado na Figura (a), é uma estrutura especial baseada na junção Schottky. Em 1992, Shi et al. usaram tecnologia de epitaxia em fase vapor metal-orgânica de baixa pressão (LP-MOVPE) para cultivar camadas de epitaxia e prepararam um fotodetector MSM de InGaAs, que tem uma alta responsividade de 0,42 A/W em um comprimento de onda de 1,3 μm e uma corrente escura menor que 5,6 pA/μm² a 1,5 V. Em 1996, Zhang et al. usaram epitaxia de feixe molecular em fase gasosa (GSMBE) para cultivar a camada de epitaxia InAlAs-InGaAs-InP. A camada de InAlAs apresentou características de alta resistividade, e as condições de crescimento foram otimizadas por medição de difração de raios X, de modo que a incompatibilidade de rede entre as camadas de InGaAs e InAlAs estava dentro da 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 transitória rápida de até 16 ps a 5 V. No geral, o fotodetector de estrutura MSM é simples e fácil de integrar, mostrando baixa corrente escura (ordem de pA), mas o eletrodo de metal reduzirá a área efetiva de absorção de luz do dispositivo, de modo que a resposta é menor do que outras estruturas.

O fotodetector PIN de InGaAs insere uma camada intrínseca entre a camada de contato do tipo P e a camada de contato do tipo N, como mostrado na Figura (b), o que aumenta a largura da região de depleção, irradiando assim mais pares elétron-lacuna e formando uma fotocorrente maior, por isso tem excelente desempenho de condução de elétrons. Em 2007, A. Poloczek et al. usaram MBE para crescer uma camada de buffer de baixa temperatura para melhorar a rugosidade da superfície e superar a incompatibilidade de rede entre Si e InP. MOCVD foi usado para integrar a estrutura PIN de InGaAs no substrato de InP, e a responsividade do dispositivo foi de cerca de 0,57 A/W. Em 2011, o Laboratório de Pesquisa do Exército (ALR) usou fotodetectores PIN para estudar um gerador de imagens liDAR para navegação, prevenção de obstáculos/colisões e detecção/identificação de alvos de curto alcance para pequenos veículos terrestres não tripulados, integrado com 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 este gerador de imagens 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 fora de equilíbrio no material. Em 2013, George M. utilizou MBE para cultivar ligas de InGaAs e InAlAs com correspondência de rede em um substrato de InP, utilizando mudanças na composição da liga, espessura da camada epitaxial e dopagem para energia de portador modulada para maximizar a ionização por eletrochoque, minimizando a ionização por buraco. Com o ganho de sinal de saída equivalente, o APD apresenta menor ruído e menor corrente escura. Em 2016, Sun Jianfeng et al. construíram um conjunto de plataforma experimental de imagem ativa a laser de 1570 nm com base no fotodetector de avalanche de InGaAs. O circuito interno deFotodetector APDecos recebidos e sinais digitais de saída direta, tornando todo o dispositivo compacto. Os resultados experimentais são mostrados nas FIG. (d) e (e). A Figura (d) é uma foto física do alvo de imagem, e a Figura (e é uma imagem tridimensional de distância. Pode ser visto claramente que a área da janela da área c tem uma certa distância de profundidade com as áreas A e b. A plataforma realiza largura de pulso menor que 10 ns, energia de pulso único (1 ~ 3) mJ ajustável, ângulo de campo da lente receptora de 2°, frequência de repetição de 1 kHz, taxa de trabalho do detector de cerca de 60%. Graças ao ganho de fotocorrente interna do APD, resposta rápida, tamanho compacto, durabilidade e baixo custo, os fotodetectores APD podem ser uma ordem de magnitude maior na taxa de detecção do que os fotodetectores PIN, então o atual LiDAR convencional é dominado principalmente por fotodetectores de avalanche.

No geral, com o rápido desenvolvimento da tecnologia de preparação de InGaAs no país e no exterior, podemos usar habilmente MBE, MOCVD, LPE e outras tecnologias para preparar uma camada epitaxial de InGaAs de alta qualidade em grandes áreas sobre substrato de InP. Os fotodetectores de InGaAs apresentam baixa corrente escura e alta responsividade, a menor corrente escura é inferior a 0,75 pA/μm², a responsividade máxima é de até 0,57 A/W e tem uma resposta transitória rápida (ordem ps). O desenvolvimento futuro dos fotodetectores de InGaAs se concentrará nos dois aspectos a seguir: (1) a camada epitaxial de InGaAs é cultivada diretamente sobre substrato de Si. Atualmente, a maioria dos dispositivos microeletrônicos no mercado são baseados em Si, e o subsequente desenvolvimento integrado de InGaAs e Si é a tendência geral. Resolver problemas como incompatibilidade de rede e diferença de coeficiente de expansão térmica é crucial para o estudo de InGaAs/Si; (2) A tecnologia de comprimento de onda de 1550 nm está madura, e o comprimento de onda estendido (2,0 ~ 2,5) μm é a direção futura da pesquisa. Com o aumento dos componentes de In, a incompatibilidade de rede entre o substrato de InP e a camada epitaxial de InGaAs levará a deslocamentos e defeitos mais graves, sendo necessário otimizar os parâmetros de processo do dispositivo, reduzir os defeitos de rede e reduzir a corrente escura do dispositivo.