Struktur fotodetektor InGaAs

Struktur sakaFotodetektor InGaAs

Wiwit taun 1980-an, para peneliti ing njero lan njaba negeri wis nyinaoni struktur fotodetektor InGaAs, sing umume dipérang dadi telung jinis. Yaiku fotodetektor logam-semikonduktor-logam InGaAs (MSM-PD), Fotodetektor PIN InGaAs (PIN-PD), lan Fotodetektor Avalanche InGaAs (APD-PD). Ana prabédan sing signifikan ing proses fabrikasi lan biaya fotodetektor InGaAs kanthi struktur sing béda, lan uga ana prabédan sing gedhé ing kinerja piranti.

Logam-semikonduktor-logam InGaAsfotodetektor, sing dituduhake ing Gambar (a), minangka struktur khusus adhedhasar sambungan Schottky. Ing taun 1992, Shi et al. nggunakake teknologi epitaksi fase uap logam-organik tekanan rendah (LP-MOVPE) kanggo nuwuhake lapisan epitaksi lan nyiyapake fotodetektor InGaAs MSM, sing nduweni responsif dhuwur 0,42 A/W ing dawa gelombang 1,3 μm lan arus peteng luwih murah tinimbang 5,6 pA/μm² ing 1,5 V. Ing taun 1996, zhang et al. nggunakake epitaksi sinar molekul fase gas (GSMBE) kanggo nuwuhake lapisan epitaksi InAlAs-InGaAs-InP. Lapisan InAlAs nuduhake karakteristik resistivitas sing dhuwur, lan kondisi pertumbuhan dioptimalake kanthi pangukuran difraksi sinar-X, saengga ketidakcocokan kisi antarane lapisan InGaAs lan InAlAs ana ing kisaran 1 × 10⁻³. Iki ngasilake kinerja piranti sing dioptimalake kanthi arus peteng ing ngisor 0,75 pA/μm² ing 10 V lan respon transien sing cepet nganti 16 ps ing 5 V. Sakabèhé, fotodetektor struktur MSM prasaja lan gampang diintegrasi, nuduhake arus peteng sing endhek (urutan pA), nanging elektroda logam bakal nyuda area panyerepan cahya sing efektif ing piranti kasebut, saengga respon kasebut luwih murah tinimbang struktur liyane.

Fotodetektor PIN InGaAs nyisipake lapisan intrinsik antarane lapisan kontak tipe-P lan lapisan kontak tipe-N, kaya sing dituduhake ing Gambar (b), sing nambah jembar wilayah penipisan, saengga nyebarake luwih akeh pasangan elektron-lubang lan mbentuk arus foto sing luwih gedhe, saengga nduweni kinerja konduksi elektron sing apik banget. Ing taun 2007, A.Poloczek et al. nggunakake MBE kanggo ngembangake lapisan buffer suhu rendah kanggo nambah kekasaran permukaan lan ngatasi ketidakcocokan kisi antarane Si lan InP. MOCVD digunakake kanggo nggabungake struktur PIN InGaAs ing substrat InP, lan responsif piranti kasebut udakara 0,57A /W. Ing taun 2011, Laboratorium Riset Angkatan Darat (ALR) nggunakake fotodetektor PIN kanggo nyinaoni pencitra liDAR kanggo navigasi, nyegah alangan/tabrakan, lan deteksi/identifikasi target jarak cendhak kanggo kendaraan darat tanpa awak cilik, sing diintegrasi karo chip penguat gelombang mikro murah sing ningkatake rasio sinyal-kanggo-noise saka fotodetektor PIN InGaAs kanthi signifikan. Adhedhasar iki, ing taun 2012, ALR nggunakake pencitra liDAR iki kanggo robot, kanthi jangkauan deteksi luwih saka 50 m lan resolusi 256 × 128.

InGaAsfotodetektor longsorminangka jinis fotodetektor kanthi gain, strukture dituduhake ing Gambar (c). Pasangan elektron-lubang entuk energi sing cukup ing sangisore aksi medan listrik ing njero wilayah dobel, supaya bisa tabrakan karo atom, ngasilake pasangan elektron-lubang anyar, mbentuk efek longsoran, lan nggandakake pembawa non-keseimbangan ing materi kasebut. Ing taun 2013, George M nggunakake MBE kanggo ngembangake paduan InGaAs lan InAlAs sing cocog karo kisi ing substrat InP, nggunakake owah-owahan ing komposisi paduan, kekandelan lapisan epitaksial, lan doping menyang energi pembawa sing dimodulasi kanggo ngoptimalake ionisasi kejut listrik nalika nyuda ionisasi lubang. Ing gain sinyal output sing padha, APD nuduhake gangguan sing luwih murah lan arus peteng sing luwih murah. Ing taun 2016, Sun Jianfeng et al. nggawe sakumpulan platform eksperimen pencitraan aktif laser 1570 nm adhedhasar fotodetektor longsoran InGaAs. Sirkuit internal sakaFotodetektor APDnampa gema lan langsung ngetokake sinyal digital, nggawe kabeh piranti dadi kompak. Asil eksperimen dituduhake ing Gambar (d) lan (e). Gambar (d) minangka foto fisik saka target pencitraan, lan Gambar (e) minangka gambar jarak telung dimensi. Bisa dideleng kanthi jelas yen area jendela area c duwe jarak ambane tartamtu karo area A lan b. Platform kasebut nyadari jembar pulsa kurang saka 10 ns, energi pulsa tunggal (1 ~ 3) mJ bisa diatur, sudut medan lensa panampa 2°, frekuensi pengulangan 1 kHz, rasio tugas detektor udakara 60%. Amarga gain arus foto internal APD, respon cepet, ukuran kompak, daya tahan lan biaya murah, fotodetektor APD bisa dadi urutan gedhene luwih dhuwur ing tingkat deteksi tinimbang fotodetektor PIN, mula liDAR utama saiki utamane didominasi dening fotodetektor longsor.

Sakabèhé, kanthi perkembangan teknologi persiapan InGaAs sing cepet ing njero lan njaba negeri, kita bisa kanthi trampil nggunakake MBE, MOCVD, LPE, lan teknologi liyané kanggo nyiyapake lapisan epitaksial InGaAs kualitas dhuwur ing area sing amba ing substrat InP. Fotodetektor InGaAs nuduhake arus peteng sing endhek lan responsif sing dhuwur, arus peteng sing paling endhek luwih murah tinimbang 0,75 pA/μm², responsif maksimal nganti 0,57 A/W, lan nduweni respon transien sing cepet (urutan ps). Pengembangan fotodetektor InGaAs ing mangsa ngarep bakal fokus ing rong aspek ing ngisor iki: (1) Lapisan epitaksial InGaAs langsung ditandur ing substrat Si. Saiki, umume piranti mikroelektronik ing pasar adhedhasar Si, lan pangembangan terpadu sabanjure adhedhasar InGaAs lan Si minangka tren umum. Ngatasi masalah kayata ketidakcocokan kisi lan beda koefisien ekspansi termal penting banget kanggo panliten InGaAs/Si; (2) Teknologi dawa gelombang 1550 nm wis diwasa, lan dawa gelombang sing luwih dawa (2,0 ~ 2,5) μm minangka arah riset ing mangsa ngarep. Kanthi tambahing komponen In, ketidakcocokan kisi antarane substrat InP lan lapisan epitaksial InGaAs bakal nyebabake dislokasi lan cacat sing luwih serius, mula perlu kanggo ngoptimalake parameter proses piranti, nyuda cacat kisi, lan nyuda arus peteng piranti.