Structure du photodétecteur InGaAs

Structure dePhotodétecteur InGaAs

Depuis les années 1980, des chercheurs nationaux et étrangers étudient la structure des photodétecteurs InGaAs, qui sont principalement divisés en trois types. Il s'agit du photodétecteur métal-semi-conducteur-métal InGaAs (MSM-PD), du photodétecteur PIN InGaAs (PIN-PD) et du photodétecteur d'avalanche InGaAs (APD-PD). Il existe des différences significatives dans le processus de fabrication et le coût des photodétecteurs InGaAs de structures différentes, ainsi que dans les performances des dispositifs.

Le métal-semi-conducteur-métal InGaAsphotodétecteur, illustré sur la figure (a), est une structure spéciale basée sur la jonction Schottky. En 1992, Shi et al. utilisé la technologie d'épitaxie en phase vapeur organométallique à basse pression (LP-MOVPE) pour faire croître des couches d'épitaxie et préparé un photodétecteur InGaAs MSM, qui a une réactivité élevée de 0,42 A/W à une longueur d'onde de 1,3 μm et un courant d'obscurité inférieur à 5,6 pA/ μm² à 1,5 V. En 1996, Zhang et al. utilisé l'épitaxie par jet moléculaire en phase gazeuse (GSMBE) pour développer la couche d'épitaxie InAlAs-InGaAs-InP. La couche d'InAlAs présentait des caractéristiques de résistivité élevées et les conditions de croissance ont été optimisées par mesure de diffraction des rayons X, de sorte que l'inadéquation du réseau entre les couches d'InGaAs et d'InAlAs soit comprise dans la plage de 1 × 10⁻³. Il en résulte des performances optimisées de l'appareil avec un courant d'obscurité inférieur à 0,75 pA/μm² à 10 V et une réponse transitoire rapide jusqu'à 16 ps à 5 V. Dans l'ensemble, le photodétecteur à structure MSM est simple et facile à intégrer, affichant un faible courant d'obscurité (pA ordre), mais l'électrode métallique réduira la zone d'absorption efficace de la lumière de l'appareil, de sorte que la réponse est inférieure à celle des autres structures.

Le photodétecteur InGaAs PIN insère une couche intrinsèque entre la couche de contact de type P et la couche de contact de type N, comme le montre la figure (b), ce qui augmente la largeur de la région d'appauvrissement, rayonnant ainsi davantage de paires électron-trou et formant un photocourant plus grand, il a donc d'excellentes performances de conduction électronique. En 2007, A.Poloczek et al. a utilisé le MBE pour développer une couche tampon à basse température afin d'améliorer la rugosité de la surface et de surmonter l'inadéquation du réseau entre Si et InP. MOCVD a été utilisé pour intégrer la structure PIN InGaAs sur le substrat InP, et la réactivité du dispositif était d'environ 0,57 A/W. En 2011, le Laboratoire de recherche de l'Armée (ALR) a utilisé des photodétecteurs PIN pour étudier un imageur LiDAR pour la navigation, l'évitement d'obstacles/collisions et la détection/identification de cibles à courte portée pour les petits véhicules terrestres sans pilote, intégré à une puce d'amplificateur micro-ondes à faible coût qui amélioré considérablement le rapport signal/bruit du photodétecteur InGaAs PIN. Sur cette base, ALR a utilisé en 2012 cet imageur LiDAR pour robots, avec une portée de détection de plus de 50 m et une résolution de 256 × 128.

Les InGaAsphotodétecteur d'avalancheest une sorte de photodétecteur à gain dont la structure est représentée sur la figure (c). La paire électron-trou obtient suffisamment d'énergie sous l'action du champ électrique à l'intérieur de la région de doublement pour entrer en collision avec l'atome, générer de nouvelles paires électron-trou, former un effet d'avalanche et multiplier les porteurs hors équilibre dans le matériau. . En 2013, George M a utilisé le MBE pour développer des alliages InGaAs et InAlAs adaptés au réseau sur un substrat InP, en utilisant des changements dans la composition de l'alliage, l'épaisseur de la couche épitaxiale et le dopage à l'énergie porteuse modulée pour maximiser l'ionisation par électrochoc tout en minimisant l'ionisation des trous. À gain de signal de sortie équivalent, l'APD affiche un bruit et un courant d'obscurité inférieurs. En 2016, Sun Jianfeng et al. construit un ensemble de plates-formes expérimentales d'imagerie active laser à 1570 nm basées sur le photodétecteur d'avalanche InGaAs. Le circuit interne dePhotodétecteur APDreçu des échos et émettre directement des signaux numériques, ce qui rend l'ensemble de l'appareil compact. Les résultats expérimentaux sont présentés sur la Fig. (d) et (e). La figure (d) est une photo physique de la cible d'imagerie et la figure (e) est une image à distance tridimensionnelle. On voit clairement que la zone de fenêtre de la zone c a une certaine distance en profondeur avec les zones A et b. La plate-forme réalise une largeur d'impulsion inférieure à 10 ns, une énergie d'impulsion unique (1 ~ 3) mJ réglable, un angle de champ de lentille de réception de 2°, une fréquence de répétition de 1 kHz, un rapport cyclique du détecteur d'environ 60 %. Grâce au gain de photocourant interne d'APD, à sa réponse rapide, à sa taille compacte, à sa durabilité et à son faible coût, les photodétecteurs APD peuvent avoir un taux de détection d'un ordre de grandeur supérieur à celui des photodétecteurs PIN, de sorte que le LiDAR grand public actuel est principalement dominé par les photodétecteurs d'avalanche.

Dans l’ensemble, avec le développement rapide de la technologie de préparation d’InGaAs au pays et à l’étranger, nous pouvons utiliser habilement MBE, MOCVD, LPE et d’autres technologies pour préparer une couche épitaxiale d’InGaAs de haute qualité sur une grande surface sur un substrat InP. Les photodétecteurs InGaAs présentent un faible courant d'obscurité et une réactivité élevée, le courant d'obscurité le plus faible est inférieur à 0,75 pA/μm², la réactivité maximale peut atteindre 0,57 A/W et a une réponse transitoire rapide (ordre ps). Le développement futur des photodétecteurs InGaAs se concentrera sur les deux aspects suivants : (1) La couche épitaxiale d'InGaAs est directement cultivée sur un substrat de Si. À l'heure actuelle, la plupart des dispositifs microélectroniques sur le marché sont basés sur Si, et le développement intégré ultérieur d'InGaAs et de Si est la tendance générale. La résolution de problèmes tels que l’inadéquation du réseau et la différence de coefficient de dilatation thermique est cruciale pour l’étude d’InGaAs/Si ; (2) La technologie de longueur d'onde de 1 550 nm est mature et la longueur d'onde étendue (2,0 ~ 2,5) μm constitue l'orientation future de la recherche. Avec l'augmentation des composants In, l'inadéquation du réseau entre le substrat InP et la couche épitaxiale InGaAs entraînera des luxations et des défauts plus graves. Il est donc nécessaire d'optimiser les paramètres de processus du dispositif, de réduire les défauts du réseau et de réduire le courant d'obscurité du dispositif.


Heure de publication : 06 mai 2024