1980년대 이후 국내외 연구진들은 InGaAs 광검출기의 구조를 연구해 왔으며, 이는 크게 InGaAs 금속-반도체-금속 광검출기(MSM-PD), InGaAs PIN 광검출기(PIN-PD), 그리고 InGaAs 애벌랜치 광검출기(APD-PD)의 세 가지 유형으로 나뉩니다. 구조가 다른 InGaAs 광검출기는 제조 공정과 비용에서 상당한 차이가 있으며, 소자 성능 또한 크게 다릅니다.
InGaAs 금속-반도체-금속광검출기그림 (a)에 나타낸 바와 같이, 이는 쇼트키 접합을 기반으로 하는 특수한 구조입니다. 1992년 Shi 등은 저압 금속유기 기상 증착(LP-MOVPE) 기술을 이용하여 에피택시층을 성장시키고 InGaAs MSM 광검출기를 제작했는데, 이 광검출기는 1.3 μm 파장에서 0.42 A/W의 높은 응답도와 1.5 V에서 5.6 pA/μm² 미만의 암전류를 나타냈습니다. 1996년 Zhang 등은 기상 분자빔 에피택시(GSMBE)를 이용하여 InAlAs-InGaAs-InP 에피택시층을 성장시켰습니다. InAlAs 층은 높은 저항 특성을 보였으며, X선 회절 측정을 통해 성장 조건을 최적화하여 InGaAs와 InAlAs 층 사이의 격자 불일치가 1×10⁻³ 범위 내에 있도록 했습니다. 이러한 설계 덕분에 10V에서 0.75 pA/μm² 미만의 암전류와 5V에서 최대 16 ps의 빠른 과도 응답을 보이는 최적화된 소자 성능을 얻을 수 있습니다. 전반적으로 MSM 구조의 광검출기는 구조가 간단하고 집적화가 용이하며 낮은 암전류(pA 수준)를 나타내지만, 금속 전극으로 인해 소자의 유효 광 흡수 면적이 감소하여 다른 구조에 비해 응답 속도가 떨어집니다.
그림 (b)에서 볼 수 있듯이 InGaAs PIN 광검출기는 P형 접촉층과 N형 접촉층 사이에 진성층을 삽입하여 공핍 영역의 폭을 넓힘으로써 더 많은 전자-정공 쌍을 방출하고 더 큰 광전류를 생성하여 우수한 전자 전도 성능을 나타냅니다. 2007년 A. Poloczek 등은 MBE를 사용하여 저온 버퍼층을 성장시켜 표면 거칠기를 개선하고 Si와 InP 사이의 격자 불일치를 극복했습니다. MOCVD를 사용하여 InP 기판에 InGaAs PIN 구조를 집적했으며, 이 소자의 응답도는 약 0.57A/W였습니다. 2011년, 미 육군 연구소(ALR)는 PIN 광검출기를 사용하여 소형 무인 지상 차량의 내비게이션, 장애물/충돌 회피, 단거리 목표물 탐지/식별을 위한 LiDAR 이미저를 연구했습니다. 이 이미저는 저비용 마이크로파 증폭기 칩과 통합되어 InGaAs PIN 광검출기의 신호 대 잡음비를 크게 향상시켰습니다. 이를 바탕으로 ALR은 2012년에 50m 이상의 탐지 범위와 256 × 128 해상도를 갖춘 로봇용 LiDAR 이미저를 개발했습니다.
InGaAs눈사태 광검출기이득을 갖는 광검출기의 일종으로, 구조는 그림 (c)에 나타나 있다. 전자-정공 쌍은 배가 영역 내부의 전기장 작용 하에 충분한 에너지를 얻어 원자와 충돌하고 새로운 전자-정공 쌍을 생성하여 애벌랜치 효과를 일으키고 물질 내 비평형 캐리어를 증식시킨다. 2013년 George M은 MBE를 이용하여 InP 기판 위에 격자 정합 InGaAs 및 InAlAs 합금을 성장시켰는데, 합금 조성, 에피택셜 층 두께 및 도핑을 변화시켜 캐리어 에너지를 조절함으로써 전자 충격 이온화를 최대화하고 정공 이온화를 최소화했다. 동일한 출력 신호 이득에서 APD는 더 낮은 잡음과 더 낮은 암전류를 나타냈다. 2016년 Sun Jianfeng 외 연구진은 InGaAs 애벌랜치 광검출기를 기반으로 하는 1570nm 레이저 능동 이미징 실험 플랫폼을 구축했다. 내부 회로는 다음과 같다.APD 광검출기수신된 에코를 디지털 신호로 직접 출력하여 전체 장치를 소형화했습니다. 실험 결과는 그림 (d)와 (e)에 나타나 있습니다. 그림 (d)는 이미징 대상의 실제 사진이고, 그림 (e)는 3차원 거리 이미지입니다. 영역 c의 창 영역이 영역 A 및 b와 일정한 깊이 거리를 갖는 것을 명확하게 확인할 수 있습니다. 이 플랫폼은 10ns 미만의 펄스 폭, (1~3)mJ의 조절 가능한 단일 펄스 에너지, 2°의 수신 렌즈 필드 각도, 1kHz의 반복 주파수, 약 60%의 검출기 듀티비를 구현합니다. APD는 내부 광전류 이득, 빠른 응답 속도, 소형 크기, 내구성 및 저렴한 비용 덕분에 PIN 광검출기보다 검출 속도가 한 자릿수 이상 높을 수 있으므로 현재 주류 LiDAR는 주로 애벌랜치 광검출기에 의해 지배됩니다.
전반적으로 국내외 InGaAs 제조 기술의 급속한 발전으로 MBE, MOCVD, LPE 등의 기술을 능숙하게 활용하여 InP 기판 위에 대면적 고품질 InGaAs 에피택셜 층을 형성할 수 있게 되었습니다. InGaAs 광검출기는 낮은 암전류와 높은 응답성을 나타내며, 최저 암전류는 0.75 pA/μm² 미만이고, 최대 응답성은 0.57 A/W에 달하며, 빠른 과도 응답(ps 단위)을 보입니다. 향후 InGaAs 광검출기 개발은 다음 두 가지 측면에 초점을 맞출 것입니다. (1) InGaAs 에피택셜 층을 Si 기판 위에 직접 성장시키는 것. 현재 시판되는 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 성숙 단계에 접어들었으며, 확장된 파장(2.0~2.5μm)이 향후 연구 방향이다. In 성분의 증가로 인해 InP 기판과 InGaAs 에피택셜 층 사이의 격자 불일치가 더욱 심각해져 전위 및 결함이 더욱 심화되므로 소자 공정 매개변수를 최적화하고 격자 결함을 줄이며 소자의 암전류를 감소시키는 것이 필요하다.
게시 시간: 2024년 5월 6일