Estrutura do fotodetector InGaAs

A estrutura deFotodetector InGaAs
Desde a década de 1980, pesquisadores têm estudado a estrutura dos fotodetectores de InGaAs, que podem ser resumidos em três tipos principais: InGaAs metal-semicondutor-metalfotodetectores(MSM-PD), InGaAsfotodetectores PIN(PIN-PD) e InGaAsfotodetectores de avalanche(APD-PD). Existem diferenças significativas no processo de produção e no custo dos fotodetectores InGaAs com diferentes estruturas, e também existem diferenças significativas no desempenho do dispositivo.
O diagrama esquemático da estrutura do fotodetector metal-semicondutor-metal InGaAs é mostrado na figura, que é uma estrutura especial baseada em junção Schottky. Em 1992, Shi et al. utilizaram a tecnologia de epitaxia em fase vapor metalorgânica a baixa pressão (LP-MOVPE) para crescer camadas epitaxiais e preparar fotodetectores InGaAs MSM. O dispositivo 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, pesquisadores utilizaram epitaxia por feixe molecular em fase gasosa (GSMBE) para crescer camadas epitaxiais de InAlAs, InGaAs e InP, que exibiram características de alta resistividade. As condições de crescimento foram otimizadas por meio de medidas de difração de raios X, resultando em uma incompatibilidade de rede entre as camadas de InGaAs e InAlAs na faixa de 1 × 10⁻³. Como resultado, o desempenho do dispositivo foi otimizado, com uma corrente escura inferior a 0,75 pA/μm² a 10 V e uma resposta transiente rápida de 16 ps a 5 V. No geral, o fotodetector com estrutura MSM possui uma estrutura simples e de fácil integração, apresentando menor corrente escura (nível de pA), mas o eletrodo metálico reduz a área efetiva de absorção de luz do dispositivo, resultando em menor responsividade em comparação com outras estruturas.

O fotodetector PIN de InGaAs possui uma camada intrínseca inserida entre a camada de contato tipo P e a camada de contato tipo N, conforme mostrado na figura. Essa camada aumenta a largura da região de depleção, irradiando assim mais pares elétron-buraco e formando uma fotocorrente maior, o que resulta em excelente condutividade eletrônica. Em 2007, pesquisadores utilizaram MBE para o crescimento de camadas tampão de baixa temperatura, melhorando a rugosidade da superfície e superando a incompatibilidade de rede entre Si e InP. Eles integraram estruturas PIN de InGaAs em substratos de InP utilizando MOCVD, e a responsividade do dispositivo foi de aproximadamente 0,57 A/W. Em 2011, pesquisadores utilizaram fotodetectores PIN para desenvolver um dispositivo de imagem LiDAR de curto alcance para navegação, desvio de obstáculos/colisões e detecção/reconhecimento de alvos em pequenos veículos terrestres não tripulados. O dispositivo foi integrado a um chip amplificador de micro-ondas de baixo custo, melhorando significativamente a relação sinal-ruído dos fotodetectores PIN de InGaAs. Com base nisso, em 2012, pesquisadores aplicaram esse dispositivo de imagem LiDAR em robôs, com um alcance de detecção de mais de 50 metros e uma resolução aumentada para 256 × 128.
O fotodetector de avalanche InGaAs é um tipo de fotodetector com ganho, conforme mostrado no diagrama estrutural. Pares elétron-buraco adquirem energia suficiente sob a ação do campo elétrico dentro da região de duplicação e colidem com átomos para gerar novos pares elétron-buraco, formando o efeito de avalanche e duplicando os portadores de carga em não equilíbrio no material. Em 2013, pesquisadores utilizaram MBE para crescer ligas de InGaAs e InAlAs com rede cristalina compatível em substratos de InP, modulando a energia dos portadores por meio de alterações na composição da liga, espessura da camada epitaxial e dopagem, maximizando a ionização por choque elétrico e minimizando a ionização por buracos. Sob ganho de sinal de saída equivalente, o APD apresenta baixo ruído e menor corrente escura. Em 2016, pesquisadores construíram uma plataforma experimental de imagem ativa a laser de 1570 nm baseada em fotodetectores de avalanche InGaAs. O circuito interno doFotodetector APDOs ecos recebidos geram sinais digitais de saída diretos, 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 na Zona C possui uma certa distância de profundidade em relação às Zonas A e B. Esta plataforma atinge uma largura de pulso inferior a 10 ns, energia de pulso único ajustável (1-3) mJ, um ângulo de campo de visão de 2° para as lentes de transmissão e recepção, uma taxa de repetição de 1 kHz e um ciclo de trabalho do detector de aproximadamente 60%. Graças ao ganho de fotocorrente interno, resposta rápida, tamanho compacto, durabilidade e baixo custo dos fotodetectores de avalanche (APD), estes podem atingir uma taxa de detecção uma ordem de magnitude superior à dos fotodetectores PIN. Portanto, atualmente, o radar a laser convencional utiliza principalmente fotodetectores de avalanche.