Struktur Fotodetektor InGaAs

StrukturPengesan Foto InGaAs
Sejak tahun 1980-an, para penyelidik telah mengkaji struktur fotodetektor InGaAs, yang boleh diringkaskan kepada tiga jenis utama: logam InGaAs, logam semikonduktorpengesan foto(MSM-PD), InGaAsPengesan foto PIN(PIN-PD), dan InGaAspengesan foto runtuhan salji(APD-PD). Terdapat perbezaan yang ketara dalam proses pengeluaran dan kos pengesan foto InGaAs dengan struktur yang berbeza, dan terdapat juga perbezaan yang ketara dalam prestasi peranti.
Gambarajah skematik struktur fotodetektor logam semikonduktor InGaAs ditunjukkan dalam rajah, yang merupakan struktur khas berdasarkan simpang Schottky. Pada tahun 1992, Shi et al. menggunakan teknologi epitaksi fasa wap organik logam tekanan rendah (LP-MOVPE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi dan menyediakan fotodetektor InGaAs MSM. Peranti ini mempunyai responsiviti yang tinggi iaitu 0.42 A/W pada panjang gelombang 1.3 μm dan arus gelap kurang daripada 5.6 pA/μm² pada 1.5 V. Pada tahun 1996, penyelidik menggunakan epitaksi pancaran molekul fasa gas (GSMBE) untuk menumbuhkan lapisan epitaksi InAlAs InGaAs InP, yang mempamerkan ciri-ciri kerintangan yang tinggi. Keadaan pertumbuhan dioptimumkan melalui pengukuran pembelauan sinar-X, mengakibatkan ketidakpadanan kekisi antara lapisan InGaAs dan InAlAs dalam julat 1 × 10⁻³. Hasilnya, prestasi peranti telah dioptimumkan, dengan arus gelap kurang daripada 0.75 pA/μm² pada 10 V dan tindak balas sementara yang pantas sebanyak 16 ps pada 5 V. Secara keseluruhan, fotopengesan struktur MSM mempunyai struktur yang ringkas dan senang diintegrasikan, mempamerkan arus gelap (tahap pA) yang lebih rendah, tetapi elektrod logam mengurangkan luas penyerapan cahaya berkesan peranti, mengakibatkan daya tindak balas yang lebih rendah berbanding struktur lain.

Fotodetektor PIN InGaAs mempunyai lapisan intrinsik yang dimasukkan di antara lapisan sentuhan jenis-P dan lapisan sentuhan jenis-N, seperti yang ditunjukkan dalam rajah, yang meningkatkan lebar kawasan susutan, sekali gus memancarkan lebih banyak pasangan lubang elektron dan membentuk arus foto yang lebih besar, sekali gus mempamerkan kekonduksian elektronik yang sangat baik. Pada tahun 2007, para penyelidik menggunakan MBE untuk mengembangkan lapisan penimbal suhu rendah, meningkatkan kekasaran permukaan dan mengatasi ketidakpadanan kekisi antara Si dan InP. Mereka mengintegrasikan struktur PIN InGaAs pada substrat InP menggunakan MOCVD, dan daya tindak balas peranti adalah kira-kira 0.57 A/W. Pada tahun 2011, para penyelidik menggunakan fotodetektor PIN untuk membangunkan peranti pengimejan LiDAR jarak dekat untuk navigasi, mengelakkan halangan/perlanggaran, dan pengesanan/pengecaman sasaran kenderaan darat tanpa pemandu kecil. Peranti ini disepadukan dengan cip penguat gelombang mikro kos rendah, sekali gus meningkatkan nisbah isyarat-ke-bunyi fotodetektor PIN InGaAs dengan ketara. Atas dasar ini, pada tahun 2012, para penyelidik menggunakan peranti pengimejan LiDAR ini pada robot, dengan julat pengesanan lebih 50 meter dan resolusi meningkat kepada 256 × 128.
Fotodetektor runtuhan salji InGaAs ialah sejenis fotodetektor dengan gandaan, seperti yang ditunjukkan dalam gambar rajah struktur. Pasangan lubang elektron memperoleh tenaga yang mencukupi di bawah tindakan medan elektrik di dalam kawasan penggandaan, dan berlanggar dengan atom untuk menghasilkan pasangan lubang elektron baharu, membentuk kesan runtuhan salji dan menggandakan pembawa cas bukan keseimbangan dalam bahan. Pada tahun 2013, penyelidik menggunakan MBE untuk mengembangkan aloi InGaAs dan InAlAs yang dipadankan dengan kekisi pada substrat InP, memodulasi tenaga pembawa melalui perubahan dalam komposisi aloi, ketebalan lapisan epitaksi dan pendopan, memaksimumkan pengionan elektroshock sambil meminimumkan pengionan lubang. Di bawah gandaan isyarat output setara, APD mempamerkan hingar yang rendah dan arus gelap yang lebih rendah. Pada tahun 2016, penyelidik membina 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 foto fizikal sasaran pengimejan, dan Rajah (e) ialah imej jarak tiga dimensi. Dapat dilihat dengan jelas bahawa kawasan tingkap di Zon C mempunyai jarak kedalaman tertentu dari Zon A dan B. Platform ini mencapai lebar denyut kurang daripada 10 ns, tenaga denyut tunggal boleh laras (1-3) mJ, sudut medan pandangan 2° untuk kanta pemancar dan penerima, kadar pengulangan 1 kHz, dan kitaran tugas pengesan kira-kira 60%. Disebabkan oleh gandaan fotoarus dalaman, tindak balas pantas, saiz padat, ketahanan, dan kos APD yang rendah, pengesan foto APD boleh mencapai kadar pengesanan yang satu peringkat magnitud lebih tinggi daripada pengesan foto PIN. Oleh itu, pada masa ini radar laser arus perdana terutamanya menggunakan pengesan foto runtuhan salji.