Structure du photodétecteur InGaAs

Structure dePhotodétecteur InGaAs

Depuis les années 1980, des chercheurs nationaux et internationaux étudient la structure des photodétecteurs InGaAs, principalement divisés en trois types : les photodétecteurs métal-semi-conducteur-métal InGaAs (MSM-PD), les photodétecteurs PIN InGaAs (PIN-PD) et les photodétecteurs à avalanche InGaAs (APD-PD). Il existe des différences significatives dans le procédé de fabrication et le coût des photodétecteurs InGaAs selon leur structure, ainsi que dans leurs performances.

Le métal-semiconducteur-métal InGaAsphotodétecteur, illustrée dans la figure (a), est une structure spéciale basée sur la jonction Schottky. En 1992, Shi et al. ont utilisé la technologie d'épitaxie en phase vapeur organométallique à basse pression (LP-MOVPE) pour faire croître des couches épitaxiées et ont préparé un photodétecteur MSM InGaAs, qui présente 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. ont utilisé l'épitaxie par jet moléculaire en phase gazeuse (GSMBE) pour faire croître la couche épitaxiée InAlAs-InGaAs-InP. La couche InAlAs a montré des caractéristiques de résistivité élevées, et les conditions de croissance ont été optimisées par mesure de diffraction des rayons X, de sorte que le désaccord de réseau entre les couches InGaAs et InAlAs était de l'ordre de 1×10⁻³. Il en résulte des performances optimisées du dispositif 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, présentant un faible courant d'obscurité (ordre pA), mais l'électrode métallique réduira la zone d'absorption lumineuse effective du dispositif, de sorte que la réponse est inférieure à celle des autres structures.

Le photodétecteur PIN InGaAs insère une couche intrinsèque entre les couches de contact de type P et de type N, comme illustré à la figure (b), ce qui augmente la largeur de la zone d'appauvrissement, rayonnant ainsi davantage de paires électron-trou et formant un photocourant plus important, ce qui lui confère d'excellentes performances de conduction électronique. En 2007, A. Poloczek et al. ont utilisé la MBE pour développer une couche tampon à basse température afin d'améliorer la rugosité de surface et de surmonter le décalage de réseau entre Si et InP. Le 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 de terre (ALR) a utilisé des photodétecteurs PIN pour étudier un imageur LiDAR destiné à la navigation, à l'évitement d'obstacles et de collisions, ainsi qu'à la détection et à l'identification de cibles à courte portée pour les petits véhicules terrestres sans pilote. Cet imageur était intégré à une puce d'amplification micro-ondes à faible coût, améliorant considérablement le rapport signal/bruit du photodétecteur PIN InGaAs. Sur cette base, l'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.

L'InGaAsphotodétecteur d'avalancheIl s'agit d'un photodétecteur à gain, dont la structure est illustrée à la figure (c). Sous l'action du champ électrique à l'intérieur de la zone de doublement, la paire électron-trou acquiert suffisamment d'énergie pour entrer en collision avec l'atome, générer de nouvelles paires électron-trou, former un effet d'avalanche et multiplier les porteurs hors d'équilibre dans le matériau. En 2013, George M. a utilisé la MBE pour faire croître des alliages InGaAs et InAlAs de maille adaptée sur un substrat InP. L'énergie des porteurs a été modulée en modifiant la composition de l'alliage, l'épaisseur de la couche épitaxiale et le dopage afin de maximiser l'ionisation par électrochoc tout en minimisant l'ionisation par trous. À gain de signal de sortie équivalent, l'APD présente un bruit et un courant d'obscurité plus faibles. En 2016, Sun Jianfeng et al. ont construit une plateforme expérimentale d'imagerie active laser à 1570 nm basée sur le photodétecteur à avalanche InGaAs. Le circuit interne dePhotodétecteur APDLes échos reçus et les signaux numériques de sortie directe rendent l'ensemble du dispositif compact. Les résultats expérimentaux sont présentés sur les figures (d) et (e). La figure (d) est une photographie physique de la cible d'imagerie, et la figure (e) est une image tridimensionnelle de distance. On peut clairement voir que la zone de fenêtre de la zone c présente une certaine distance de profondeur avec les zones A et b. La plateforme réalise une largeur d'impulsion inférieure à 10 ns, une énergie d'impulsion individuelle réglable (1 ~ 3) mJ, un angle de champ de lentille de réception de 2°, une fréquence de répétition de 1 kHz, et un rapport cyclique du détecteur d'environ 60 %. Grâce au gain de photocourant interne de l'APD, à sa réponse rapide, à sa taille compacte, à sa durabilité et à son faible coût, les photodétecteurs APD peuvent atteindre un taux de détection bien supérieur à celui des photodétecteurs PIN. De ce fait, le lidar actuel est principalement dominé par les photodétecteurs à avalanche.

Globalement, grâce au développement rapide des technologies de préparation de l'InGaAs, tant en Chine qu'à l'étranger, nous pouvons utiliser avec brio les technologies MBE, MOCVD, LPE et autres pour préparer des couches épitaxiales InGaAs de grande surface et de haute qualité sur substrat InP. Les photodétecteurs InGaAs présentent un faible courant d'obscurité et une grande réactivité : le courant d'obscurité le plus faible est inférieur à 0,75 pA/μm², la réactivité maximale peut atteindre 0,57 A/W, et ils présentent une réponse transitoire rapide (ordre ps). Le développement futur des photodétecteurs InGaAs se concentrera sur les deux aspects suivants : (1) La couche épitaxiale InGaAs est directement développée sur substrat Si. Actuellement, la plupart des dispositifs microélectroniques du marché sont à base de Si, et le développement intégré ultérieur de ces deux technologies est la tendance générale. La résolution de problèmes tels que le désaccord de maille et la différence de coefficient de dilatation thermique est cruciale pour l'étude de l'InGaAs/Si ; (2) La technologie à 1 550 nm est mature et la longueur d'onde étendue (2,0 à 2,5 µm) constitue l'orientation future de la recherche. Avec l'augmentation du nombre de composants en In, l'inadéquation de réseau entre le substrat InP et la couche épitaxiale InGaAs entraînera des dislocations et des défauts plus importants. Il est donc nécessaire d'optimiser les paramètres de fabrication des dispositifs, de réduire les défauts de réseau et de diminuer le courant d'obscurité.