StrukturPengesan foto InGaAs
Sejak tahun 1980-an, para penyelidik di dalam dan luar negara telah mengkaji struktur pengesan foto InGaAs, yang terbahagi kepada tiga jenis. Iaitu pengesan foto logam-Semikonduktor-logam InGaAs (MSM-PD), pengesan Foto PIN InGaAs (PIN-PD), dan pengesan Foto Avalanche InGaAs (APD-PD). Terdapat perbezaan yang ketara dalam proses fabrikasi dan kos pengesan foto InGaAs dengan struktur yang berbeza, dan terdapat juga perbezaan yang besar dalam prestasi peranti.
Logam-semikonduktor-logam InGaAspengesan foto, ditunjukkan dalam Rajah (a), ialah struktur khas berdasarkan simpang Schottky. Pada tahun 1992, Shi et al. menggunakan teknologi epitaksi fasa wap logam-organik tekanan rendah (LP-MOVPE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi dan menyediakan fotodetektor InGaAs MSM, yang mempunyai daya tindak balas yang tinggi iaitu 0.42 A/W pada panjang gelombang 1.3 μm dan arus gelap lebih rendah daripada 5.6 pA/μm² pada 1.5 V. Pada tahun 1996, zhang et al. menggunakan epitaksi pancaran molekul fasa gas (GSMBE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi InAlAs-InGaAs-InP. Lapisan InAlAs menunjukkan ciri-ciri kerintangan yang tinggi, dan keadaan pertumbuhan dioptimumkan melalui pengukuran pembelauan sinar-X, supaya ketidakpadanan kekisi antara lapisan InGaAs dan InAlAs berada dalam julat 1×10⁻³. Ini menghasilkan prestasi peranti yang dioptimumkan dengan arus gelap di bawah 0.75 pA/μm² pada 10 V dan tindak balas sementara yang pantas sehingga 16 ps pada 5 V. Secara keseluruhannya, fotopengesan struktur MSM adalah mudah dan senang diintegrasikan, menunjukkan arus gelap yang rendah (peringkat pA), tetapi elektrod logam akan mengurangkan luas penyerapan cahaya berkesan peranti, jadi tindak balasnya adalah lebih rendah daripada struktur lain.
Pengesan foto PIN InGaAs memasukkan lapisan intrinsik antara lapisan sentuhan jenis-P dan lapisan sentuhan jenis-N, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah (b), yang meningkatkan lebar kawasan susutan, sekali gus memancarkan lebih banyak pasangan elektron-lubang dan membentuk arus foto yang lebih besar, jadi ia mempunyai prestasi pengaliran elektron yang sangat baik. Pada tahun 2007, A.Poloczek et al. menggunakan MBE untuk mengembangkan lapisan penimbal suhu rendah untuk meningkatkan kekasaran permukaan dan mengatasi ketidakpadanan kekisi antara Si dan InP. MOCVD digunakan untuk mengintegrasikan struktur PIN InGaAs pada substrat InP, dan daya tindak balas peranti adalah kira-kira 0.57A /W. Pada tahun 2011, Makmal Penyelidikan Tentera Darat (ALR) menggunakan pengesan foto PIN untuk mengkaji pengimej liDAR untuk navigasi, mengelakkan halangan/perlanggaran, dan pengesanan/pengenalpastian sasaran jarak dekat untuk kenderaan darat tanpa pemandu kecil, disepadukan dengan cip penguat gelombang mikro kos rendah yang meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi pengesan foto PIN InGaAs dengan ketara. Atas dasar ini, pada tahun 2012, ALR menggunakan pengimej liDAR ini untuk robot, dengan julat pengesanan lebih daripada 50 m dan resolusi 256 × 128.
InGaAspengesan foto runtuhan saljiialah sejenis fotodetektor dengan gandaan, strukturnya ditunjukkan dalam Rajah (c). Pasangan elektron-lubang memperoleh tenaga yang mencukupi di bawah tindakan medan elektrik di dalam kawasan penggandaan, supaya dapat berlanggar dengan atom, menghasilkan pasangan elektron-lubang baharu, membentuk kesan runtuhan salji, dan mendarabkan pembawa bukan keseimbangan dalam bahan. Pada tahun 2013, George M menggunakan MBE untuk mengembangkan aloi InGaAs dan InAlAs yang dipadankan dengan kekisi pada substrat InP, menggunakan perubahan dalam komposisi aloi, ketebalan lapisan epitaksi, dan pendopan kepada tenaga pembawa termodulat untuk memaksimumkan pengionan elektroshock sambil meminimumkan pengionan lubang. Pada gandaan isyarat output setara, APD menunjukkan hingar yang lebih rendah dan arus gelap yang lebih rendah. Pada tahun 2016, Sun Jianfeng dkk. membina satu set platform eksperimen pengimejan aktif laser 1570 nm berdasarkan fotodetektor runtuhan salji InGaAs. Litar dalamanPengesan foto APDmenerima gema dan mengeluarkan isyarat digital secara langsung, menjadikan keseluruhan peranti padat. Keputusan eksperimen ditunjukkan dalam Rajah (d) dan (e). Rajah (d) ialah gambar fizikal sasaran pengimejan, dan Rajah (e) ialah imej jarak tiga dimensi. Dapat dilihat dengan jelas bahawa kawasan tingkap kawasan c mempunyai jarak kedalaman tertentu dengan kawasan A dan b. Platform ini menyedari lebar denyut kurang daripada 10 ns, tenaga denyut tunggal (1 ~ 3) mJ boleh laras, sudut medan kanta penerima 2°, frekuensi pengulangan 1 kHz, nisbah tugas pengesan kira-kira 60%. Disebabkan oleh gandaan fotoarus dalaman APD, tindak balas pantas, saiz padat, ketahanan dan kos rendah, pengesan foto APD boleh menjadi satu peringkat magnitud yang lebih tinggi dalam kadar pengesanan berbanding pengesan foto PIN, jadi liDAR arus perdana semasa terutamanya didominasi oleh pengesan foto runtuhan salji.
Secara keseluruhannya, dengan perkembangan pesat teknologi penyediaan InGaAs di dalam dan luar negara, kita boleh menggunakan MBE, MOCVD, LPE dan teknologi lain dengan mahir untuk menyediakan lapisan epitaksi InGaAs berkualiti tinggi di kawasan luas pada substrat InP. Pengesan foto InGaAs mempamerkan arus gelap yang rendah dan daya tindak balas yang tinggi, arus gelap terendah adalah lebih rendah daripada 0.75 pA/μm², daya tindak balas maksimum adalah sehingga 0.57 A/W, dan mempunyai tindak balas sementara yang pantas (tertib ps). Pembangunan pengesan foto InGaAs pada masa hadapan akan memberi tumpuan kepada dua aspek berikut: (1) Lapisan epitaksi InGaAs ditumbuhkan secara langsung pada substrat Si. Pada masa ini, kebanyakan peranti mikroelektronik di pasaran berasaskan Si, dan pembangunan bersepadu seterusnya berasaskan InGaAs dan Si adalah trend umum. Menyelesaikan masalah seperti ketidakpadanan kekisi dan perbezaan pekali pengembangan haba adalah penting untuk kajian InGaAs/Si; (2) Teknologi panjang gelombang 1550 nm telah matang, dan panjang gelombang lanjutan (2.0 ~ 2.5) μm adalah hala tuju penyelidikan pada masa hadapan. Dengan peningkatan komponen In, ketidakpadanan kekisi antara substrat InP dan lapisan epitaksi InGaAs akan menyebabkan kehelan dan kecacatan yang lebih serius, jadi parameter proses peranti perlu dioptimumkan, mengurangkan kecacatan kekisi dan mengurangkan arus gelap peranti.
Masa siaran: 06-Mei-2024