Struttura del fotodiodo InGaAs

Struttura diFotodiodo InGaAs

Dagli anni '80, ricercatori in patria e all'estero hanno studiato la struttura dei fotorivelatori in InGaAs, che si dividono principalmente in tre tipologie: fotorivelatori metallo-semiconduttore-metallo in InGaAs (MSM-PD), fotorivelatori PIN in InGaAs (PIN-PD) e fotorivelatori a valanga in InGaAs (APD-PD). Esistono differenze significative nel processo di fabbricazione e nei costi dei fotorivelatori in InGaAs con diverse strutture, così come notevoli differenze nelle prestazioni dei dispositivi.

Il metallo-semiconduttore-metallo InGaAsfotodiodo, mostrato in Figura (a), è una struttura speciale basata sulla giunzione Schottky. Nel 1992, Shi et al. hanno utilizzato la tecnologia dell'epitassia in fase vapore metallo-organica a bassa pressione (LP-MOVPE) per far crescere strati di epitassia e hanno preparato un fotorivelatore MSM in InGaAs, che presenta un'elevata reattività di 0,42 A/W a una lunghezza d'onda di 1,3 μm e una corrente di buio inferiore a 5,6 pA/μm² a 1,5 V. Nel 1996, Zhang et al. hanno utilizzato l'epitassia a fascio molecolare in fase gassosa (GSMBE) per far crescere lo strato di epitassia InAlAs-InGaAs-InP. Lo strato di InAlAs ha mostrato caratteristiche di elevata resistività e le condizioni di crescita sono state ottimizzate mediante misure di diffrazione dei raggi X, in modo che la discrepanza reticolare tra gli strati di InGaAs e InAlAs fosse compresa nell'intervallo 1×10⁻³. Ciò si traduce in prestazioni ottimizzate del dispositivo con corrente di buio inferiore a 0,75 pA/μm² a 10 V e risposta transitoria rapida fino a 16 ps a 5 V. Nel complesso, il fotodiodo con struttura MSM è semplice e facile da integrare, mostrando una bassa corrente di buio (dell'ordine dei pA), ma l'elettrodo metallico ridurrà l'area effettiva di assorbimento della luce del dispositivo, quindi la risposta è inferiore rispetto ad altre strutture.

Il fotorivelatore PIN in InGaAs inserisce uno strato intrinseco tra lo strato di contatto di tipo P e quello di tipo N, come mostrato in Figura (b), che aumenta l'ampiezza della regione di svuotamento, irradiando così più coppie elettrone-lacuna e formando una fotocorrente più intensa, ottenendo così eccellenti prestazioni di conduzione elettronica. Nel 2007, A.Poloczek et al. hanno utilizzato la MBE per far crescere uno strato tampone a bassa temperatura per migliorare la rugosità superficiale e superare il disadattamento reticolare tra Si e InP. La MOCVD è stata utilizzata per integrare la struttura PIN in InGaAs sul substrato di InP e la reattività del dispositivo è stata di circa 0,57 A/W. Nel 2011, l'Army Research Laboratory (ALR) ha utilizzato fotodetector PIN per studiare un imager liDAR per la navigazione, l'elusione di ostacoli/collisioni e il rilevamento/identificazione di bersagli a corto raggio per piccoli veicoli terrestri senza pilota, integrato con un chip amplificatore a microonde a basso costo che ha migliorato significativamente il rapporto segnale/rumore del fotodetector PIN InGaAs. Su questa base, nel 2012, ALR ha utilizzato questo imager liDAR per robot, con una portata di rilevamento di oltre 50 m e una risoluzione di 256 × 128.

L'InGaAsfotodetector per valangheè un tipo di fotodiodo con guadagno, la cui struttura è mostrata in Figura (c). La coppia elettrone-lacuna ottiene energia sufficiente sotto l'azione del campo elettrico all'interno della regione di sdoppiamento, in modo da collidere con l'atomo, generare nuove coppie elettrone-lacuna, formare un effetto valanga e moltiplicare i portatori di non equilibrio nel materiale. Nel 2013, George M ha utilizzato MBE per far crescere leghe di InGaAs e InAlAs reticolate su un substrato di InP, utilizzando variazioni nella composizione della lega, nello spessore dello strato epitassiale e nel drogaggio per modulare l'energia dei portatori per massimizzare la ionizzazione da elettroshock e minimizzare la ionizzazione da lacuna. Al guadagno del segnale di uscita equivalente, l'APD mostra un rumore inferiore e una corrente di buio inferiore. Nel 2016, Sun Jianfeng et al. hanno costruito una serie di piattaforme sperimentali di imaging attivo laser a 1570 nm basate sul fotodiodo a valanga InGaAs. Il circuito interno diFotodiodo APDriceve echi e invia direttamente segnali digitali, rendendo l'intero dispositivo compatto. I risultati sperimentali sono mostrati nelle figure (d) ed (e). La figura (d) è una fotografia fisica del bersaglio di imaging, mentre la figura (e) è un'immagine tridimensionale della distanza. Si può chiaramente vedere che l'area della finestra dell'area c ha una certa distanza di profondità con le aree A e b. La piattaforma realizza una larghezza di impulso inferiore a 10 ns, energia del singolo impulso regolabile (1 ~ 3) mJ, angolo di campo della lente di ricezione di 2°, frequenza di ripetizione di 1 kHz, rapporto di servizio del rivelatore di circa il 60%. Grazie al guadagno di fotocorrente interno dell'APD, alla risposta rapida, alle dimensioni compatte, alla durevolezza e al basso costo, i fotodetector APD possono avere una velocità di rilevamento di un ordine di grandezza superiore rispetto ai fotodetector PIN, quindi l'attuale tecnologia liDAR mainstream è principalmente dominata dai fotodetector a valanga.

Nel complesso, con il rapido sviluppo della tecnologia di preparazione di InGaAs in patria e all'estero, possiamo utilizzare abilmente MBE, MOCVD, LPE e altre tecnologie per preparare uno strato epitassiale di InGaAs di alta qualità e di ampia superficie su substrato di InP. I fotodetector di InGaAs presentano una bassa corrente di buio e un'elevata reattività: la corrente di buio più bassa è inferiore a 0,75 pA/μm², la reattività massima è fino a 0,57 A/W e ha una rapida risposta transitoria (ordine ps). Il futuro sviluppo dei fotodetector di InGaAs si concentrerà sui due aspetti seguenti: (1) lo strato epitassiale di InGaAs viene cresciuto direttamente su substrato di Si. Attualmente, la maggior parte dei dispositivi microelettronici sul mercato è basata su Si e il successivo sviluppo integrato di InGaAs e basati su Si è la tendenza generale. La risoluzione di problemi come il disadattamento reticolare e la differenza del coefficiente di dilatazione termica è cruciale per lo studio di InGaAs/Si; (2) La tecnologia a lunghezza d'onda di 1550 nm è matura e la lunghezza d'onda estesa (2,0 ~ 2,5) μm rappresenta la futura direzione di ricerca. Con l'aumento dei componenti di In, la discrepanza reticolare tra il substrato di InP e lo strato epitassiale di InGaAs porterà a dislocazioni e difetti più gravi, pertanto è necessario ottimizzare i parametri di processo del dispositivo, ridurre i difetti reticolari e la corrente di buio del dispositivo.