La struttura diFotorivelatore InGaAs
Dagli anni '80, i ricercatori studiano la struttura dei fotorivelatori InGaAs, che possono essere riassunti in tre tipi principali: InGaAs metallo semiconduttore metallofotorilevatori(MSM-PD), InGaAsfotorivelatori PIN(PIN-PD) e InGaAsfotorivelatori di valanghe(APD-PD). Esistono differenze significative nel processo di produzione e nel costo dei fotorivelatori InGaAs con strutture diverse, così come differenze significative nelle prestazioni dei dispositivi.
La figura mostra lo schema della struttura del fotorivelatore metallo-semiconduttore InGaAs, una struttura speciale basata sulla giunzione Schottky. Nel 1992, Shi et al. hanno utilizzato la tecnologia di epitassia in fase vapore metallorganica a bassa pressione (LP-MOVPE) per far crescere strati epitassiali e preparare fotorivelatori MSM in InGaAs. Il dispositivo presenta un'elevata responsività 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, i ricercatori hanno utilizzato l'epitassia a fascio molecolare in fase gassosa (GSMBE) per far crescere strati epitassiali di InAlAs, InGaAs e InP, che hanno mostrato elevate caratteristiche di resistività. Le condizioni di crescita sono state ottimizzate tramite misurazioni di diffrazione a raggi X, ottenendo un disallineamento reticolare tra gli strati di InGaAs e InAlAs nell'intervallo di 1 × 10⁻³. Di conseguenza, le prestazioni del dispositivo sono state ottimizzate, con una corrente di buio inferiore a 0,75 pA/μm² a 10 V e una risposta transitoria rapida di 16 ps a 5 V. Nel complesso, il fotorivelatore con struttura MSM ha una struttura semplice e facile da integrare, esibendo una corrente di buio inferiore (livello pA), ma l'elettrodo metallico riduce l'area di assorbimento della luce effettiva del dispositivo, con conseguente minore responsività rispetto ad altre strutture.
Il fotorivelatore PIN InGaAs presenta uno strato intrinseco inserito tra lo strato di contatto di tipo P e quello di tipo N, come mostrato in figura, che aumenta l'ampiezza della regione di svuotamento, irradiando così più coppie elettrone-lacuna e formando una fotocorrente maggiore, esibendo in tal modo un'eccellente conduttività elettronica. Nel 2007, i ricercatori hanno utilizzato la MBE per far crescere strati tampone a bassa temperatura, migliorando la rugosità superficiale e superando il disallineamento reticolare tra Si e InP. Hanno integrato strutture PIN InGaAs su substrati di InP utilizzando MOCVD e la responsività del dispositivo era di circa 0,57 A/W. Nel 2011, i ricercatori hanno utilizzato fotorivelatori PIN per sviluppare un dispositivo di imaging LiDAR a corto raggio per la navigazione, l'evitamento di ostacoli/collisioni e il rilevamento/riconoscimento di bersagli per piccoli veicoli terrestri senza pilota. Il dispositivo è stato integrato con un chip amplificatore a microonde a basso costo, migliorando significativamente il rapporto segnale/rumore dei fotorivelatori PIN InGaAs. Su queste basi, nel 2012, i ricercatori hanno applicato questo dispositivo di imaging LiDAR ai robot, con un raggio di rilevamento di oltre 50 metri e una risoluzione aumentata a 256 × 128.
Il fotorivelatore a valanga InGaAs è un tipo di fotorivelatore con guadagno, come mostrato nello schema strutturale. Le coppie elettrone-lacuna ottengono energia sufficiente sotto l'azione del campo elettrico all'interno della regione di raddoppio e collidono con gli atomi per generare nuove coppie elettrone-lacuna, formando un effetto valanga e raddoppiando i portatori di carica fuori equilibrio nel materiale. Nel 2013, i ricercatori hanno utilizzato MBE per far crescere leghe InGaAs e InAlAs con reticolo adattato su substrati InP, modulando l'energia dei portatori attraverso cambiamenti nella composizione della lega, nello spessore dello strato epitassiale e nel drogaggio, massimizzando l'ionizzazione da shock elettrico e minimizzando l'ionizzazione delle lacune. Con un guadagno del segnale di uscita equivalente, l'APD presenta un basso rumore e una corrente di buio inferiore. Nel 2016, i ricercatori hanno costruito una piattaforma sperimentale di imaging attivo laser a 1570 nm basata su fotorivelatori a valanga InGaAs. Il circuito interno delFotorivelatore APDechi ricevuti e segnali digitali in uscita diretta, rendendo l'intero dispositivo compatto. I risultati sperimentali sono mostrati nelle Figure (d) e (e). La Figura (d) è una foto fisica del bersaglio di imaging, e la Figura (e) è un'immagine tridimensionale della distanza. Si può vedere chiaramente che l'area della finestra nella Zona C ha una certa distanza di profondità dalle Zone A e B. Questa piattaforma raggiunge una larghezza di impulso inferiore a 10 ns, energia del singolo impulso regolabile (1-3) mJ, un angolo di campo visivo di 2° per le lenti di trasmissione e ricezione, una frequenza di ripetizione di 1 kHz e un duty cycle del rivelatore di circa il 60%. Grazie al guadagno di fotocorrente interno, alla risposta rapida, alle dimensioni compatte, alla durata e al basso costo degli APD, i fotorivelatori APD possono raggiungere un tasso di rilevamento di un ordine di grandezza superiore rispetto ai fotorivelatori PIN. Pertanto, attualmente i radar laser principali utilizzano principalmente fotorivelatori a valanga.
Data di pubblicazione: 11 febbraio 2026