Structure du photodétecteur InGaAs

Structure dephotodétecteur InGaAs

Depuis les années 1980, des chercheurs du monde entier étudient la structure des photodétecteurs InGaAs, qui se répartissent principalement en trois catégories : les photodétecteurs métal-semiconducteur-métal (MSM-PD), les photodétecteurs PIN (PIN-PD) et les photodétecteurs à avalanche (APD-PD). Le procédé de fabrication et le coût des photodétecteurs InGaAs varient considérablement selon leur structure, et leurs performances présentent également d'importantes disparités.

Le métal-semiconducteur-métal InGaAsphotodétecteurLa structure représentée sur la figure (a) est une structure particulière basée sur la jonction Schottky. En 1992, Shi et al. ont utilisé la technique d'épitaxie en phase vapeur aux organométalliques à basse pression (LP-MOVPE) pour faire croître des couches épitaxiales et ont préparé un photodétecteur MSM InGaAs présentant une sensibilité 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 jets moléculaires en phase gazeuse (GSMBE) pour faire croître la couche épitaxiale InAlAs-InGaAs-InP. La couche InAlAs a montré des caractéristiques de résistivité élevée, et les conditions de croissance ont été optimisées par diffraction des rayons X, de sorte que le désaccord de maille entre les couches InGaAs et InAlAs était inférieur à 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. Globalement, le photodétecteur à structure MSM est simple et facile à intégrer, présentant un faible courant d'obscurité (de l'ordre du pA), mais l'électrode métallique réduit la surface d'absorption lumineuse effective du dispositif, ce qui explique une réponse inférieure à celle d'autres structures.

Le photodétecteur PIN InGaAs insère une couche intrinsèque entre la couche de contact de type P et la couche de contact de type N, comme illustré sur la figure (b). Cette couche intrinsèque augmente la largeur de la zone de déplétion, ce qui permet d'émettre davantage de paires électron-trou et de générer un photocourant plus important, assurant ainsi d'excellentes performances de conduction électronique. En 2007, A. Poloczek et al. ont utilisé l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) pour faire croître une couche tampon à basse température afin d'améliorer la rugosité de surface et de compenser le désaccord de maille entre le silicium (Si) et l'indium-phosphate (InP). La structure PIN InGaAs a ensuite été intégrée sur le substrat InP par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), et la sensibilité du dispositif était d'environ 0,57 A/W. En 2011, l'Army Research Laboratory (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 de petits véhicules terrestres sans pilote. Ce système était intégré à une puce d'amplification micro-ondes à faible coût qui améliorait considérablement le rapport signal/bruit du photodétecteur PIN InGaAs. Fort de ces résultats, l'ALR a utilisé cet imageur LiDAR en 2012 pour des robots, avec une portée de détection supérieure à 50 m et une résolution de 256 × 128 pixels.

L'InGaAsphotodétecteur d'avalancheIl s'agit d'un type de photodétecteur à gain, dont la structure est illustrée sur la figure (c). Sous l'action du champ électrique au sein de la région de doublage, la paire électron-trou acquiert suffisamment d'énergie pour entrer en collision avec un atome, générer de nouvelles paires électron-trou, créer un effet d'avalanche et multiplier les porteurs hors équilibre dans le matériau. En 2013, George M. a utilisé l'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour faire croître des alliages InGaAs et InAlAs adaptés au réseau cristallin sur un substrat InP. En modulant l'énergie des porteurs par variation de la composition de l'alliage, de l'épaisseur de la couche épitaxiale et du dopage, il a optimisé l'ionisation par électrochoc tout en minimisant l'ionisation par trous. À gain de signal de sortie équivalent, la photodiode à avalanche (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 APDLe dispositif reçoit les échos et génère directement des signaux numériques, ce qui le rend compact. Les résultats expérimentaux sont présentés sur les figures (d) et (e). La figure (d) est une photographie de la cible d'imagerie, et la figure (e) est une image tridimensionnelle de la distance. On observe clairement que la zone d'observation c présente une certaine profondeur par rapport aux zones A et b. La plateforme permet d'obtenir une largeur d'impulsion inférieure à 10 ns, une énergie d'impulsion unitaire ajustable de 1 à 3 mJ, un angle de champ de la 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 des APD, à leur réponse rapide, à leur taille compacte, à leur durabilité et à leur faible coût, les photodétecteurs APD offrent un taux de détection dix fois supérieur à celui des photodétecteurs PIN. C'est pourquoi les systèmes LiDAR actuels sont principalement basés sur des photodétecteurs à avalanche.

Globalement, grâce au développement rapide des technologies de préparation d'InGaAs tant au niveau national qu'international, nous pouvons utiliser efficacement les techniques MBE, MOCVD, LPE et autres pour préparer des couches épitaxiales d'InGaAs de grande surface et de haute qualité sur un substrat InP. Les photodétecteurs InGaAs présentent un faible courant d'obscurité et une sensibilité élevée : le courant d'obscurité minimal est inférieur à 0,75 pA/µm², la sensibilité maximale atteint 0,57 A/W et la réponse transitoire est rapide (de l'ordre de la picoseconde). Le développement futur des photodétecteurs InGaAs s'articulera autour des deux axes suivants : (1) la croissance directe de la couche épitaxiale d'InGaAs sur un substrat Si. Actuellement, la plupart des dispositifs microélectroniques disponibles sur le marché sont à base de silicium, et le développement intégré d'InGaAs et de silicium constitue la tendance générale. La résolution des problèmes tels que le désaccord de maille et la différence de coefficient de dilatation thermique est cruciale pour l'étude des systèmes InGaAs/Si. (2) La technologie à 1550 nm est mature, et l'extension de la longueur d'onde (2,0 à 2,5 μm) constitue la voie de recherche future. L'augmentation de la teneur en indium accroît le désaccord de maille entre le substrat InP et la couche épitaxiale InGaAs, engendrant des dislocations et des défauts plus importants. Il est donc nécessaire d'optimiser les paramètres de fabrication du dispositif afin de réduire les défauts de maille et, par conséquent, le courant d'obscurité.