1980년대부터 국내외 연구자들이 InGaAs 광검출기의 구조를 연구해 왔는데, 크게 세 가지 종류로 나누어진다. InGaAs 금속-반도체-금속 광검출기(MSM-PD), InGaAs PIN 광검출기(PIN-PD) 및 InGaAs 애벌랜치 광검출기(APD-PD)가 있습니다. 구조가 다른 InGaAs 광검출기의 제조 공정과 비용에는 큰 차이가 있으며, 장치 성능에도 큰 차이가 있습니다.
InGaAs 금속-반도체-금속광검출기그림 (a)에 표시된 는 쇼트키 접합을 기반으로 한 특수 구조입니다. 1992년에 Shi et al. 저압 금속-유기 기상 에피택시 기술(LP-MOVPE)을 사용하여 에피택시층을 성장시키고, 1.3μm 파장에서 0.42A/W의 높은 응답성과 5.6pA/보다 낮은 암전류를 갖는 InGaAs MSM 광검출기를 준비했습니다. 1.5V에서 μm². 1996년 zhang et al. InAlAs-InGaAs-InP 에피택시 층을 성장시키기 위해 가스상 분자선 에피택시(GSMBE)를 사용했습니다. InAlAs 층은 높은 저항률 특성을 나타냈으며, X-선 회절 측정을 통해 성장 조건을 최적화하여 InGaAs와 InAlAs 층 사이의 격자 불일치가 1×10⁻³ 범위 내에 있도록 했습니다. 그 결과 10V에서 0.75pA/μm² 미만의 암전류와 5V에서 최대 16ps의 빠른 과도 응답으로 장치 성능이 최적화되었습니다. 전체적으로 MSM 구조 광검출기는 간단하고 쉽게 통합할 수 있으며 낮은 암전류(pA 순서), 그러나 금속 전극은 소자의 유효 광 흡수 영역을 감소시키므로 다른 구조에 비해 응답이 낮습니다.
InGaAs PIN 광검출기는 그림(b)와 같이 P형 접촉층과 N형 접촉층 사이에 고유층을 삽입하여 공핍 영역의 폭을 증가시켜 더 많은 전자-정공 쌍을 방출하고 형성합니다. 광전류가 크기 때문에 전자 전도 성능이 우수합니다. 2007년에 A.Poloczek et al. MBE를 사용하여 저온 버퍼층을 성장시켜 표면 거칠기를 개선하고 Si와 InP 사이의 격자 불일치를 극복했습니다. MOCVD는 InP 기판에 InGaAs PIN 구조를 통합하는 데 사용되었으며 장치의 응답성은 약 0.57A/W였습니다. 2011년 육군 연구소(ALR)는 PIN 광검출기를 사용하여 소형 무인 지상 차량의 내비게이션, 장애물/충돌 회피, 단거리 표적 탐지/식별을 위한 LiDAR 이미저를 연구했으며 저가형 마이크로파 증폭기 칩과 통합되었습니다. InGaAs PIN 광검출기의 신호 대 잡음비가 크게 향상되었습니다. 이를 바탕으로 2012년 ALR은 감지 범위가 50m 이상, 해상도가 256×128인 로봇용 LiDAR 이미저를 사용했습니다.
InGaAs눈사태 광검출기이득을 갖는 일종의 광검출기로서 그 구조가 그림 (c)에 나와 있습니다. 전자-정공 쌍은 배가 영역 내부의 전기장의 작용으로 충분한 에너지를 얻어 원자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 생성하고 눈사태 효과를 형성하며 물질의 비평형 캐리어를 증식시킵니다. . 2013년에 George M은 MBE를 사용하여 InP 기판에서 격자 정합 InGaAs 및 InAlAs 합금을 성장시켰으며, 합금 조성의 변화, 에피택셜 층 두께, 변조된 캐리어 에너지에 대한 도핑을 사용하여 정공 이온화를 최소화하면서 감전 이온화를 최대화했습니다. 동등한 출력 신호 이득에서 APD는 더 낮은 잡음과 더 낮은 암전류를 나타냅니다. 2016년 Sun Jianfeng et al. InGaAs 눈사태 광검출기를 기반으로 한 1570nm 레이저 능동 이미징 실험 플랫폼 세트를 구축했습니다. 내부 회로APD 광검출기에코를 수신하고 디지털 신호를 직접 출력하여 전체 장치를 컴팩트하게 만듭니다. 실험 결과를 도 1에 나타내었다. (d)와 (e). 그림(d)는 이미징 대상의 실제 사진이고, 그림(e)는 3차원 거리 이미지이다. c 영역의 창 영역은 A 영역, b 영역과 일정한 깊이 거리를 갖고 있음을 명확하게 알 수 있습니다. 플랫폼은 10ns 미만의 펄스 폭, 조정 가능한 단일 펄스 에너지(1~3)mJ, 수신 렌즈 필드 각도 2°, 반복 주파수 1kHz, 검출기 듀티 비율 약 60%를 실현합니다. APD의 내부 광전류 이득, 빠른 응답, 컴팩트한 크기, 내구성 및 저렴한 비용 덕분에 APD 광검출기는 PIN 광검출기보다 감지율이 훨씬 더 높을 수 있으므로 현재 주류 LiDAR는 주로 눈사태 광검출기가 지배합니다.
전반적으로 국내외 InGaAs 준비 기술의 급속한 발전으로 우리는 MBE, MOCVD, LPE 및 기타 기술을 능숙하게 사용하여 InP 기판에 대면적 고품질 InGaAs 에피층을 준비할 수 있습니다. InGaAs 광검출기는 낮은 암전류와 높은 응답성을 나타내며, 가장 낮은 암전류는 0.75pA/μm²보다 낮고, 최대 응답성은 최대 0.57A/W이며, 빠른 과도 응답(ps 순서)을 갖습니다. InGaAs 광검출기의 향후 개발은 다음 두 가지 측면에 중점을 둘 것입니다. (1) InGaAs 에피택셜 층은 Si 기판에서 직접 성장됩니다. 현재 시장에 나와 있는 대부분의 마이크로 전자 장치는 Si 기반이며, InGaAs와 Si 기반의 통합 개발이 일반적인 추세입니다. 격자 불일치 및 열팽창 계수 차이와 같은 문제를 해결하는 것은 InGaAs/Si 연구에 매우 중요합니다. (2) 1550nm 파장 기술은 성숙해졌으며, 확장 파장(2.0~2.5)μm이 향후 연구 방향이다. In 구성요소의 증가에 따라 InP 기판과 InGaAs 에피택시층 사이의 격자 불일치는 더 심각한 전위 및 결함으로 이어질 것이므로 장치 공정 매개변수를 최적화하고 격자 결함을 줄이며 장치 암전류를 줄이는 것이 필요합니다.
게시 시간: 2024년 5월 6일