Estrutura do fotodetector InGaAs

Estrutura deFotodetector InGaAs

Desde a década de 1980, pesquisadores nacionais e estrangeiros estudam a estrutura dos fotodetectores InGaAs, que são divididos principalmente em três tipos. Eles são fotodetector de metal-semicondutor-metal InGaAs (MSM-PD), fotodetector PIN InGaAs (PIN-PD) e fotodetector de avalanche InGaAs (APD-PD). Existem diferenças significativas no processo de fabricação e no custo dos fotodetectores InGaAs com estruturas diferentes, 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. usou tecnologia de epitaxia em fase de vapor metal-orgânico de baixa pressão (LP-MOVPE) para crescer camadas de epitaxia e preparou o fotodetector InGaAs MSM, que tem alta capacidade de resposta de 0,42 A/W em um comprimento de onda de 1,3 μm e uma corrente escura inferior a 5,6 pA/ μm² a 1,5 V. Em 1996, zhang et al. usou epitaxia de feixe molecular em fase gasosa (GSMBE) para crescer a camada de epitaxia InAlAs-InGaAs-InP. A camada 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 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 transitória rápida de até 16 ps a 5 V. No geral, o fotodetector de estrutura MSM é simples e fácil de integrar, apresentando baixa corrente escura (pA ordem), mas o eletrodo de metal reduzirá a área efetiva de absorção de luz do dispositivo, portanto a resposta é menor do que outras estruturas.

O fotodetector PIN 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 um fotocorrente maior, por isso tem excelente desempenho de condução de elétrons. Em 2007, A.Poloczek et al. usou MBE para cultivar uma camada tampão 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 InGaAs no substrato InP, e a capacidade de resposta do dispositivo foi de cerca de 0,57A/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 microondas de baixo custo que melhorou significativamente a relação sinal-ruído do fotodetector PIN InGaAs. Com base nisso, em 2012, a ALR utilizou este gerador de imagens LiDAR para robôs, com alcance de detecção de mais de 50 m e resolução de 256 × 128.

Os InGaAsfotodetector de avalancheé uma espécie 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, para colidir com o átomo, gerar novos pares elétron-buraco, formar um efeito de avalanche e multiplicar os portadores de desequilíbrio no material . Em 2013, George M usou MBE para cultivar ligas InGaAs e InAlAs compatíveis com rede em um substrato InP, usando mudanças na composição da liga, espessura da camada epitaxial e dopagem para energia portadora modulada para maximizar a ionização por eletrochoque enquanto minimiza a ionização do furo. No ganho de sinal de saída equivalente, o APD apresenta menor ruído e menor corrente escura. Em 2016, Sun Jianfeng et al. construiu um conjunto de plataforma experimental de imagem ativa a laser de 1570 nm baseada no fotodetector de avalanche InGaAs. O circuito interno deFotodetector APDrecebeu ecos e emite sinais digitais diretamente, tornando todo o dispositivo compacto. Os resultados experimentais são mostrados na FIG. (d) e (e). A Figura (d) é uma foto física do alvo de imagem e a Figura (e) é uma imagem de distância tridimensional. Pode-se ver 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 inferior a 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 serviço do detector de cerca de 60%. Graças ao ganho de fotocorrente interno 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, de modo que 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 camada epitaxial de InGaAs de alta qualidade em grandes áreas no substrato InP. Os fotodetectores InGaAs exibem baixa corrente escura e alta capacidade de resposta, a corrente escura mais baixa é inferior a 0,75 pA/μm², a capacidade de resposta máxima é de até 0,57 A/W e possui uma resposta transitória rápida (ordem ps). O desenvolvimento futuro dos fotodetectores InGaAs focará nos dois aspectos a seguir: (1) A camada epitaxial do InGaAs é cultivada diretamente no substrato de Si. Atualmente, a maioria dos dispositivos microeletrônicos no mercado são baseados em Si, e o subsequente desenvolvimento integrado de InGaAs e baseados em 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 da pesquisa futura. Com o aumento dos componentes In, a incompatibilidade de rede entre o substrato InP e a camada epitaxial InGaAs levará a deslocamentos e defeitos mais graves, por isso é necessário otimizar os parâmetros de processo do dispositivo, reduzir os defeitos da rede e reduzir a corrente escura do dispositivo.