InGaAs фотодетекторын бүтэц

БүтэцInGaAs фотодетектор

1980-аад оноос хойш дотоод болон гадаадын судлаачид InGaAs фотодетекторын бүтцийг судалж ирсэн бөгөөд эдгээр нь голчлон гурван төрөлд хуваагддаг. Эдгээр нь InGaAs металл-хагас дамжуулагч-металл фотодетектор (MSM-PD), InGaAs PIN фотодетектор (PIN-PD), болон InGaAs цасан нуралтын фотодетектор (APD-PD) юм. Өөр өөр бүтэцтэй InGaAs фотодетекторын үйлдвэрлэлийн процесс болон өртөгт мэдэгдэхүйц ялгаа байдаг бөгөөд төхөөрөмжийн гүйцэтгэлд ч мөн ихээхэн ялгаа байдаг.

InGaAs металл-хагас дамжуулагч-металлфотодетекторЗураг (a)-д үзүүлсэн нь Шотткийн уулзвар дээр суурилсан тусгай бүтэц юм. 1992 онд Ши нар эпитакси давхаргыг ургуулахын тулд бага даралттай металл-органик уурын фазын эпитакси технологийг (LP-MOVPE) ашиглан 1.3 μм долгионы уртад 0.42 A/W өндөр хариу үйлдэлтэй, 1.5 В-д 5.6 pA/μm²-ээс бага харанхуй гүйдэлтэй InGaAs MSM фотодетекторыг бэлтгэсэн. 1996 онд Жан нар InAlAs-InGaAs-InP эпитакси давхаргыг ургуулахын тулд хийн фазын молекулын цацрагийн эпитакси (GSMBE) ашигласан. InAlAs давхарга нь өндөр эсэргүүцлийн шинж чанартай байсан бөгөөд өсөлтийн нөхцлийг рентген дифракцийн хэмжилтээр оновчтой болгосон тул InGaAs ба InAlAs давхаргуудын хоорондох торны зөрүү 1×10⁻³-ийн хүрээнд байв. Энэ нь 10 В-д 0.75 pA/μm²-ээс доош харанхуй гүйдэл, 5 В-д 16 ps хүртэл хурдан түр зуурын хариу үйлдэл үзүүлэх үед төхөөрөмжийн оновчтой гүйцэтгэлийг бий болгодог. Ерөнхийдөө MSM бүтцийн фотодетектор нь энгийн бөгөөд нэгтгэхэд хялбар бөгөөд бага харанхуй гүйдэл (pA дараалал) харуулдаг боловч металл электрод нь төхөөрөмжийн үр дүнтэй гэрлийн шингээлтийн хэсгийг бууруулдаг тул хариу үйлдэл нь бусад бүтцээс бага байдаг.

InGaAs PIN фотодетектор нь Зураг (b)-д үзүүлсэн шиг P хэлбэрийн контакт давхарга болон N хэлбэрийн контакт давхаргын хооронд дотоод давхаргыг оруулдаг бөгөөд энэ нь хомсдолын бүсийн өргөнийг нэмэгдүүлж, улмаар илүү олон электрон нүхний хосыг цацруулж, илүү том фото гүйдэл үүсгэдэг тул электрон дамжуулах чадвар маш сайн байдаг. 2007 онд А.Полочек нар гадаргуугийн барзгар байдлыг сайжруулж, Si болон InP-ийн хоорондох торны зөрүүг даван туулахын тулд MBE-г ашиглан бага температурт буфер давхаргыг ургуулсан. MOCVD-г InP суурь дээр InGaAs PIN бүтцийг нэгтгэхэд ашигласан бөгөөд төхөөрөмжийн хариу үйлдэл нь ойролцоогоор 0.57A /W байв. 2011 онд Армийн судалгааны лаборатори (ALR) нь жижиг нисгэгчгүй газрын тээврийн хэрэгслийн навигаци, саад бэрхшээл/мөргөлдөөнөөс зайлсхийх, богино зайн байг илрүүлэх/таних зориулалттай liDAR дүрслэгчийг судлахын тулд PIN фотодетекторуудыг ашигласан бөгөөд энэ нь InGaAs PIN фотодетекторын дохио-шуугианы харьцааг мэдэгдэхүйц сайжруулсан хямд өртөгтэй богино долгионы өсгөгч чиптэй нэгтгэгдсэн. Үүний үндсэн дээр 2012 онд ALR нь энэхүү liDAR дүрслэлийг роботуудад ашигласан бөгөөд илрүүлэх хүрээ нь 50 м-ээс дээш, нягтрал нь 256 × 128 юм.

InGaAsцасан нурангийн фотодетекторнь олшруулах коэффициенттэй фотодетекторын нэг төрөл бөгөөд бүтцийг нь Зураг (c)-д үзүүлэв. Электрон нүхний хос нь давхарлах бүсийн доторх цахилгаан орны үйлчлэлээр хангалттай энерги авч, атомтай мөргөлдөж, шинэ электрон нүхний хос үүсгэж, нурангийн эффект үүсгэж, материал дахь тэнцвэргүй тээвэрлэгчдийг үржүүлдэг. 2013 онд Жорж М MBE-г ашиглан InP суурь дээр тортой таарсан InGaAs болон InAlAs хайлшийг ургуулж, хайлшийн найрлага, эпитаксиал давхаргын зузааны өөрчлөлт, модуляцлагдсан тээвэрлэгчийн энергид хольц оруулах замаар нүхний ионжуулалтыг багасгахын зэрэгцээ электрошок ионжуулалтыг хамгийн их байлгахын тулд ашигласан. Эквивалент гаралтын дохионы олшруулалтад APD нь дуу чимээ багатай, харанхуй гүйдэл бага байгааг харуулдаг. 2016 онд Сун Жианфэн нар InGaAs нурангийн фотодетектор дээр суурилсан 1570 нм лазер идэвхтэй дүрслэлийн туршилтын платформын багцыг бүтээжээ. Дотоод хэлхээAPD фотодетекторцуурай хүлээн авч, дижитал дохиог шууд гаргаснаар төхөөрөмжийг бүхэлд нь авсаархан болгодог. Туршилтын үр дүнг Зураг (d) ба (e)-д үзүүлэв. Зураг (d) нь дүрслэлийн байны физик зураг бөгөөд Зураг (e) нь гурван хэмжээст зайн зураг юм. С талбайн цонхны талбай нь А ба b талбайтай тодорхой гүний зайтай байгааг тодорхой харж болно. Тавцан нь импульсийн өргөн 10 нс-ээс бага, нэг импульсийн энерги (1 ~ 3) мЖ тохируулж болно, хүлээн авах линзний талбайн өнцөг 2°, давталтын давтамж 1 кГц, илрүүлэгчийн ажлын харьцаа ойролцоогоор 60% байна. APD-ийн дотоод фото гүйдлийн олшруулалт, хурдан хариу үйлдэл, авсаархан хэмжээ, бат бөх чанар, хямд өртөг зэргээс шалтгаалан APD фотодетекторууд нь PIN фотодетекторуудаас илрүүлэх хурдаараа хэд дахин өндөр байж болох тул одоогийн гол урсгалын liDAR-д голчлон цасан нурангийн фотодетекторууд давамгайлдаг.

Ерөнхийдөө, дотоод болон гадаадад InGaAs бэлтгэх технологийн хурдацтай хөгжлөөр бид MBE, MOCVD, LPE болон бусад технологийг чадварлаг ашиглан InP суурь дээр том талбайн өндөр чанартай InGaAs эпитаксиал давхаргыг бэлтгэх боломжтой болсон. InGaAs фотодетекторууд нь бага харанхуй гүйдэл, өндөр хариу үйлдэл үзүүлдэг, хамгийн бага харанхуй гүйдэл нь 0.75 pA/μm²-ээс бага, хамгийн их хариу үйлдэл нь 0.57 A/W хүртэл бөгөөд хурдан түр зуурын хариу үйлдэлтэй (ps дараалалтай). InGaAs фотодетекторуудын ирээдүйн хөгжил нь дараах хоёр тал дээр төвлөрөх болно: (1) InGaAs эпитаксиал давхаргыг Si суурь дээр шууд ургуулдаг. Одоогийн байдлаар зах зээл дээрх ихэнх микроэлектроник төхөөрөмжүүд нь Si дээр суурилсан бөгөөд InGaAs болон Si дээр суурилсан дараагийн нэгдсэн хөгжил нь ерөнхий чиг хандлага юм. Торны үл нийцэл, дулааны тэлэлтийн коэффициентийн зөрүү зэрэг асуудлыг шийдвэрлэх нь InGaAs/Si-г судлахад чухал ач холбогдолтой; (2) 1550 нм долгионы урттай технологи боловсорч гүйцсэн бөгөөд уртасгасан долгионы урт (2.0 ~ 2.5) μm нь ирээдүйн судалгааны чиглэл юм. In бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн тоо нэмэгдэхийн хэрээр InP суурь ба InGaAs эпитаксиаль давхаргын хоорондох торны зөрүү нь илүү ноцтой мултрал болон согог үүсгэх тул төхөөрөмжийн процессын параметрүүдийг оновчтой болгох, торны согогийг бууруулах, төхөөрөмжийн харанхуй гүйдлийг бууруулах шаардлагатай байна.