Struktur pengesan foto InGaAs

StrukturPengesan foto InGaAs

Sejak tahun 1980-an, penyelidik di dalam dan luar negara telah mengkaji struktur pengesan foto InGaAs, yang kebanyakannya dibahagikan kepada tiga jenis. Mereka ialah 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 besar dalam prestasi peranti.

Logam-semikonduktor-logam InGaAspengesan foto, ditunjukkan dalam Rajah (a), ialah struktur khas berdasarkan persimpangan Schottky. Pada tahun 1992, Shi et al. menggunakan teknologi epitaksi fasa wap logam-organik tekanan rendah (LP-MOVPE) untuk mengembangkan lapisan epitaksi dan menyediakan pengesan foto InGaAs MSM, yang mempunyai tindak balas tinggi 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 rasuk molekul fasa gas (GSMBE) untuk mengembangkan lapisan epitaksi InAlAs-InGaAs-InP. Lapisan InAlAs menunjukkan ciri kerintangan yang tinggi, dan keadaan pertumbuhan telah dioptimumkan oleh pengukuran pembelauan sinar-X, supaya ketidakpadanan kekisi antara lapisan InGaA 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 pantas sehingga 16 ps pada 5 V. Secara keseluruhannya, pengesan foto struktur MSM adalah ringkas dan mudah untuk disepadukan, menunjukkan arus gelap yang rendah (pA perintah), tetapi elektrod logam akan mengurangkan kawasan penyerapan cahaya berkesan peranti, jadi tindak balas 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 penyusutan, dengan itu memancarkan lebih banyak pasangan lubang elektron 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 telah digunakan untuk menyepadukan struktur PIN InGaAs pada substrat InP, dan responsif peranti adalah kira-kira 0.57A/W. Pada tahun 2011, Makmal Penyelidikan Tentera (ALR) menggunakan pengesan foto PIN untuk mengkaji pengimej liDAR untuk navigasi, mengelakkan halangan/perlanggaran dan pengesanan/pengenalpastian sasaran jarak dekat untuk kenderaan darat kecil tanpa pemandu, disepadukan dengan cip penguat gelombang mikro kos rendah yang meningkatkan dengan ketara nisbah isyarat kepada hingar pengesan foto PIN InGaAs. 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 pengesan foto dengan keuntungan, strukturnya ditunjukkan dalam Rajah (c). Pasangan lubang elektron memperoleh tenaga yang mencukupi di bawah tindakan medan elektrik di dalam kawasan penggandaan, supaya berlanggar dengan atom, menjana pasangan lubang elektron baru, membentuk kesan longsoran, dan mendarabkan pembawa bukan keseimbangan dalam bahan. . Pada tahun 2013, George M menggunakan MBE untuk mengembangkan kekisi dipadankan InGaAs dan aloi InAlAs pada substrat InP, menggunakan perubahan dalam komposisi aloi, ketebalan lapisan epitaxial dan doping kepada tenaga pembawa termodulat untuk memaksimumkan pengionan kejutan elektrik sambil meminimumkan pengionan lubang. Pada perolehan isyarat keluaran yang setara, APD menunjukkan hingar yang lebih rendah dan arus gelap yang lebih rendah. Pada tahun 2016, Sun Jianfeng et al. membina satu set platform eksperimen pengimejan aktif laser 1570 nm berdasarkan pengesan foto salji InGaAs. Litar dalaman bagiPengesan foto APDmenerima gema dan mengeluarkan isyarat digital secara langsung, menjadikan keseluruhan peranti padat. Keputusan eksperimen ditunjukkan dalam FIG. (d) dan (e). Rajah (d) ialah foto fizikal sasaran pengimejan, dan Rajah (e) ialah imej jarak tiga dimensi. Dapat dilihat dengan jelas bahawa luas tingkap kawasan c mempunyai jarak kedalaman tertentu dengan kawasan A dan b. Platform ini menyedari lebar nadi kurang daripada 10 ns, tenaga nadi tunggal (1 ~ 3) mJ boleh laras, menerima bidang kanta Sudut 2°, kekerapan pengulangan 1 kHz, nisbah tugas pengesan kira-kira 60%. Terima kasih kepada perolehan arus foto dalaman APD, tindak balas pantas, saiz padat, ketahanan dan kos rendah, pengesan foto APD boleh menjadi susunan magnitud yang lebih tinggi dalam kadar pengesanan daripada pengesan foto PIN, jadi liDAR arus perdana semasa didominasi terutamanya oleh pengesan foto salji.

Secara keseluruhannya, dengan perkembangan pesat teknologi penyediaan InGaAs di dalam dan luar negara, kami boleh menggunakan MBE, MOCVD, LPE dan teknologi lain dengan mahir untuk menyediakan lapisan epitaxial InGaAs berkualiti tinggi di kawasan besar pada substrat InP. Pengesan foto InGaAs mempamerkan arus gelap yang rendah dan tindak balas yang tinggi, arus gelap terendah adalah lebih rendah daripada 0.75 pA/μm², tindak balas maksimum adalah sehingga 0.57 A/W, dan mempunyai tindak balas sementara yang pantas (perintah ps). Pembangunan masa depan pengesan foto InGaAs akan menumpukan pada dua aspek berikut: (1) Lapisan epitaxial InGaAs ditanam terus pada substrat Si. Pada masa ini, kebanyakan peranti mikroelektronik dalam pasaran adalah 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 ialah arah penyelidikan masa depan. Dengan peningkatan komponen In, ketidakpadanan kekisi antara substrat InP dan lapisan epitaxial InGaAs akan membawa kepada kehelan dan kecacatan yang lebih serius, jadi adalah perlu untuk mengoptimumkan parameter proses peranti, mengurangkan kecacatan kekisi dan mengurangkan arus gelap peranti.