Structure du photodétecteur InGaAs

La structure dePhotodétecteur InGaAs
Depuis les années 1980, les chercheurs étudient la structure des photodétecteurs InGaAs, que l'on peut regrouper en trois types principaux : InGaAs métal semi-conducteur métalphotodétecteurs(MSM-PD), InGaAsphotodétecteurs PIN(PIN-PD) et InGaAsphotodétecteurs à avalanche(APD-PD). Le processus de production et le coût des photodétecteurs InGaAs varient considérablement selon leur structure, et leurs performances diffèrent également de manière significative.
La figure présente le schéma de la structure d'un photodétecteur métal-semiconducteur-métal InGaAs, une structure particulière basée sur une 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 fabriquer des photodétecteurs InGaAs MSM. Ce dispositif présente une responsivité 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, des chercheurs ont utilisé l'épitaxie par jets moléculaires en phase gazeuse (GSMBE) pour faire croître des couches épitaxiales InAlAs, InGaAs et InP, qui ont présenté des caractéristiques de résistivité élevée. Les conditions de croissance ont été optimisées par diffraction des rayons X, ce qui a permis d'obtenir un désaccord de maille entre les couches d'InGaAs et d'InAlAs de l'ordre de 1 × 10⁻³. De ce fait, les performances du dispositif ont été optimisées, avec un courant d'obscurité inférieur à 0,75 pA/µm² à 10 V et une réponse transitoire rapide de 16 ps à 5 V. Globalement, le photodétecteur à structure MSM présente une structure simple et facile à intégrer, et affiche un faible courant d'obscurité (de l'ordre du pA). Cependant, l'électrode métallique réduit la surface d'absorption lumineuse effective du dispositif, ce qui entraîne une sensibilité plus faible que celle d'autres structures.

Le photodétecteur PIN InGaAs possède une couche intrinsèque insérée entre la couche de contact de type P et la couche de contact de type N, comme illustré sur la figure. Cette couche intrinsèque augmente la largeur de la zone de déplétion, ce qui permet de générer davantage de paires électron-trou et un photocourant plus important, assurant ainsi une excellente conductivité électronique. En 2007, des chercheurs ont utilisé l'épitaxie par jets moléculaires (MBE) pour faire croître des couches tampons à basse température, améliorant ainsi la rugosité de surface et compensant le désaccord de maille entre le silicium (Si) et l'indium-phosphate (InP). Ils ont intégré des structures PIN InGaAs sur des substrats InP par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD), et la responsivité du dispositif était d'environ 0,57 A/W. En 2011, des chercheurs ont utilisé des photodétecteurs PIN pour développer un dispositif d'imagerie LiDAR à courte portée destiné à la navigation, à l'évitement d'obstacles et de collisions, ainsi qu'à la détection et à la reconnaissance de cibles pour les petits véhicules terrestres sans pilote. Le dispositif a été intégré à une puce d'amplification micro-ondes à faible coût, améliorant considérablement le rapport signal/bruit des photodétecteurs PIN InGaAs. Sur cette base, en 2012, des chercheurs ont appliqué ce dispositif d'imagerie LiDAR à des robots, avec une portée de détection de plus de 50 mètres et une résolution augmentée à 256 × 128.
Le photodétecteur à avalanche InGaAs est un type de photodétecteur à gain, comme illustré dans le schéma structurel. Sous l'action du champ électrique au sein de la région de doublage, les paires électron-trou acquièrent suffisamment d'énergie pour entrer en collision avec des atomes et générer de nouvelles paires électron-trou, créant ainsi un effet d'avalanche et doublant la concentration des porteurs de charge hors équilibre dans le matériau. En 2013, des chercheurs ont utilisé l'épitaxie par jets moléculaires (EJM) pour faire croître des alliages InGaAs et InAlAs adaptés au réseau cristallin sur des substrats InP, modulant l'énergie des porteurs par des variations de la composition de l'alliage, de l'épaisseur de la couche épitaxiale et du dopage, afin de maximiser l'ionisation par électrochoc tout en minimisant l'ionisation des trous. À gain de signal de sortie équivalent, le photodétecteur à avalanche (APD) présente un faible bruit et un courant d'obscurité réduit. En 2016, des chercheurs ont construit une plateforme expérimentale d'imagerie active laser à 1570 nm basée sur des photodétecteurs à avalanche InGaAs. Le circuit interne duphotodétecteur 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'éclairage de la zone C est située à une certaine profondeur des zones A et B. Cette plateforme atteint une largeur d'impulsion inférieure à 10 ns, une énergie d'impulsion unitaire ajustable (1-3 mJ), un angle de champ de vision de 2° pour les lentilles d'émission et de réception, une fréquence de répétition de 1 kHz et un rapport cyclique du détecteur d'environ 60 %. Grâce au gain de photocourant interne, à la rapidité de réponse, à la compacité, à la robustesse et au faible coût des photodétecteurs à avalanche (APD), ces derniers peuvent atteindre un taux de détection dix fois supérieur à celui des photodétecteurs PIN. C'est pourquoi les radars laser actuels utilisent principalement des photodétecteurs à avalanche.