Struttura del fotorilevatore InGaAs

Struttura diFotorivelatore InGaAs

Dagli anni '80 ricercatori nazionali e stranieri hanno studiato la struttura dei fotorilevatori InGaAs, che si dividono principalmente in tre tipi. Si tratta del fotorilevatore metallo-semiconduttore-metallo InGaAs (MSM-PD), del fotorilevatore PIN InGaAs (PIN-PD) e del fotorilevatore da valanga InGaAs (APD-PD). Esistono differenze significative nel processo di fabbricazione e nei costi dei fotorilevatori InGaAs con strutture diverse, nonché grandi differenze nelle prestazioni dei dispositivi.

Il metallo-semiconduttore-metallo InGaAsfotorivelatore, mostrato nella Figura (a), è una struttura speciale basata sulla giunzione Schottky. Nel 1992, Shi et al. ha utilizzato la tecnologia epitassiale in fase vapore metallo-organica a bassa pressione (LP-MOVPE) per far crescere gli strati di epitassia e ha preparato il fotorilevatore InGaAs MSM, che ha 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. ha utilizzato l'epitassia a fascio molecolare in fase gassosa (GSMBE) per far crescere lo strato epitassia InAlAs-InGaAs-InP. Lo strato di InAlAs ha mostrato caratteristiche di elevata resistività e le condizioni di crescita sono state ottimizzate mediante misurazione della diffrazione di raggi X, in modo che il disadattamento reticolare tra gli strati di InGaAs e InAlAs rientrasse nell'intervallo di 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 ai transitori rapida fino a 16 ps a 5 V. Nel complesso, il fotorilevatore con struttura MSM è semplice e facile da integrare, mostrando una bassa corrente di buio (pA ordine), ma l'elettrodo metallico ridurrà l'effettiva area di assorbimento della luce del dispositivo, quindi la risposta è inferiore rispetto ad altre strutture.

Il fotorilevatore PIN InGaAs inserisce uno strato intrinseco tra lo strato di contatto di tipo P e lo strato di contatto di tipo N, come mostrato nella Figura (b), che aumenta la larghezza della regione di svuotamento, irradiando così più coppie elettrone-lacuna e formando un fotocorrente più grande, quindi ha eccellenti prestazioni di conduzione degli elettroni. Nel 2007, A.Poloczek et al. ha utilizzato MBE per far crescere uno strato tampone a bassa temperatura per migliorare la ruvidità superficiale e superare la mancata corrispondenza del reticolo tra Si e InP. MOCVD è stato utilizzato per integrare la struttura PIN InGaAs sul substrato InP e la reattività del dispositivo era di circa 0,57 A/W. Nel 2011, l'Army Research Laboratory (ALR) ha utilizzato fotorilevatori 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 migliorato significativamente il rapporto segnale-rumore del fotorilevatore PIN InGaAs. Su questa base, nel 2012, ALR ha utilizzato questo imager liDAR per robot, con un raggio di rilevamento di oltre 50 m e una risoluzione di 256 × 128.

Gli InGaAfotorivelatore da valangaè un tipo di fotorivelatore con guadagno, la cui struttura è mostrata nella Figura (c). La coppia elettrone-lacuna ottiene energia sufficiente sotto l'azione del campo elettrico all'interno della regione di raddoppio, in modo da scontrarsi 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 coltivare leghe InGaAs e InAlAs abbinate a reticolo su un substrato InP, utilizzando cambiamenti nella composizione della lega, spessore dello strato epitassiale e drogaggio con energia del portatore modulata per massimizzare la ionizzazione dell'elettroshock riducendo al minimo la ionizzazione delle lacune. Al guadagno del segnale di uscita equivalente, APD mostra un rumore inferiore e una corrente di buio inferiore. Nel 2016, Sun Jianfeng et al. ha costruito una serie di piattaforme sperimentali per l'imaging attivo con laser da 1570 nm basate sul fotorilevatore da valanga InGaAs. Il circuito interno diFotorilevatore APDechi ricevuti e segnali digitali in uscita direttamente, rendendo l'intero dispositivo compatto. I risultati sperimentali sono mostrati in FIG. (d) ed (e). La Figura (d) è una foto fisica del target di imaging e la Figura (e) è un'immagine tridimensionale della distanza. Si può vedere chiaramente che l'area della finestra dell'area c ha una certa distanza di profondità dalle aree A e b. La piattaforma realizza una larghezza di impulso inferiore a 10 ns, energia di impulso singolo (1 ~ 3) mJ regolabile, angolo del campo della lente di ricezione di 2°, frequenza di ripetizione di 1 kHz, rapporto di lavoro del rilevatore di circa il 60%. Grazie al guadagno fotocorrente interno di APD, alla risposta rapida, alle dimensioni compatte, alla durata e al basso costo, i fotorilevatori APD possono avere un tasso di rilevamento di un ordine di grandezza superiore rispetto ai fotorilevatori PIN, quindi l'attuale liDAR tradizionale è principalmente dominato dai fotorilevatori da 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 InGaAs di alta qualità su vasta area su substrato InP. I fotorilevatori InGaAs mostrano 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 risposta transitoria rapida (ordine ps). Il futuro sviluppo dei fotorilevatori di InGaAs si concentrerà sui due aspetti seguenti: (1) lo strato epitassiale di InGaAs viene coltivato direttamente sul substrato di Si. Attualmente, la maggior parte dei dispositivi microelettronici sul mercato sono basati su Si, e il successivo sviluppo integrato di InGaAs e basati su Si è la tendenza generale. Risolvere problemi come il disadattamento del reticolo e la differenza del coefficiente di dilatazione termica è cruciale per lo studio di InGaAs/Si; (2) La tecnologia della lunghezza d'onda di 1550 nm è matura e la lunghezza d'onda estesa (2,0 ~ 2,5) μm è la direzione futura della ricerca. Con l'aumento dei componenti In, la mancata corrispondenza reticolare tra il substrato InP e lo strato epitassiale InGaAs porterà a dislocazioni e difetti più gravi, quindi è necessario ottimizzare i parametri di processo del dispositivo, ridurre i difetti reticolari e ridurre la corrente oscura del dispositivo.