1980년대 이후 국내외 연구자들은 InGaAs 광검출기의 구조를 연구해 왔으며, 이는 크게 세 가지 유형으로 나뉩니다. InGaAs 금속-반도체-금속 광검출기(MSM-PD), InGaAs PIN 광검출기(PIN-PD), 그리고 InGaAs 애벌랜치 광검출기(APD-PD)입니다. 구조가 다른 InGaAs 광검출기는 제조 공정과 비용에 상당한 차이가 있으며, 소자 성능에도 큰 차이가 있습니다.
InGaAs 금속-반도체-금속광검출기그림 (a)에 나타낸 것은 쇼트키 접합을 기반으로 한 특수 구조입니다. 1992년, Shi 등은 저압 금속-유기 기상 에피택시 기술(LP-MOVPE)을 사용하여 에피택시 층을 성장시키고 InGaAs MSM 광검출기를 제조하였는데, 이는 파장 1.3μm에서 0.42 A/W의 높은 응답성과 1.5V에서 5.6 pA/μm² 미만의 암전류를 갖습니다. 1996년, zhang 등은 기체상 분자선 에피택시(GSMBE)를 사용하여 InAlAs-InGaAs-InP 에피택시 층을 성장시켰습니다. InAlAs 층은 높은 저항 특성을 보였고, 성장 조건은 X선 회절 측정으로 최적화되어 InGaAs와 InAlAs 층 사이의 격자 불일치가 1×10⁻³ 범위 내에 있었습니다. 이를 통해 10V에서 0.75 pA/μm² 이하의 암전류와 5V에서 최대 16 ps의 빠른 과도 응답을 보이는 최적화된 장치 성능을 얻을 수 있습니다. 전반적으로 MSM 구조 광검출기는 간단하고 통합하기 쉬우며 낮은 암전류(pA 순서)를 보이지만 금속 전극은 장치의 효과적인 광 흡수 영역을 줄여 응답이 다른 구조보다 낮습니다.
InGaAs PIN 광검출기는 그림 (b)와 같이 P형 접촉층과 N형 접촉층 사이에 진성층을 삽입하여 공핍 영역의 폭을 넓혀 더 많은 전자-정공 쌍을 방출하고 더 큰 광전류를 형성하여 우수한 전자 전도 성능을 보입니다. 2007년 A.Poloczek 등은 MBE(분자 유기 화학 기상 증착)를 이용하여 저온 버퍼층을 성장시켜 표면 거칠기를 개선하고 Si와 InP 사이의 격자 불일치를 극복했습니다. MOCVD(유기 금속 화학 기상 증착)를 사용하여 InP 기판에 InGaAs PIN 구조를 집적했으며, 소자의 응답성은 약 0.57A/W였습니다. 2011년, 육군 연구소(ALR)는 PIN 광검출기를 사용하여 소형 무인 지상 차량의 내비게이션, 장애물/충돌 회피, 그리고 단거리 표적 탐지/식별을 위한 LiDAR 이미저를 연구했습니다. 이 LiDAR 이미저는 InGaAs PIN 광검출기의 신호대잡음비를 크게 향상시킨 저비용 마이크로파 증폭기 칩과 통합되었습니다. 이를 바탕으로 ALR은 2012년 로봇에 이 LiDAR 이미저를 사용했는데, 감지 범위는 50m 이상, 해상도는 256×128입니다.
InGaAs눈사태 광검출기이득을 갖는 일종의 광검출기로, 그 구조는 그림 (c)에 나타나 있습니다. 전자-정공 쌍은 배가 영역 내부의 전기장 작용으로 충분한 에너지를 얻어 원자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 생성하고, 애벌랜치 효과를 형성하며, 재료 내 비평형 캐리어를 증폭시킵니다. 2013년, George M은 MBE를 사용하여 InP 기판 위에 격자 정합된 InGaAs 및 InAlAs 합금을 성장시켰습니다. 이 합금은 합금 조성, 에피택셜층 두께, 그리고 변조된 캐리어 에너지에 대한 도핑을 변화시켜 전기충격 이온화를 극대화하는 동시에 정공 이온화를 최소화했습니다. 등가 출력 신호 이득에서 APD는 더 낮은 잡음과 더 낮은 암전류를 보입니다. 2016년, Sun Jianfeng 등은 InGaAs 애벌랜치 광검출기를 기반으로 1570nm 레이저 능동 이미징 실험 플랫폼을 구축했습니다. 내부 회로는APD 광검출기수신된 에코를 디지털 신호로 직접 출력하여 전체 장치를 소형화합니다. 실험 결과는 그림 (d)와 (e)에 나와 있습니다. 그림 (d)는 이미징 대상의 실제 사진이고, 그림 (e)는 3차원 거리 이미지입니다. 영역 c의 윈도우 영역이 영역 A 및 b와 특정 깊이 거리를 가지고 있음을 명확하게 알 수 있습니다. 이 플랫폼은 10ns 미만의 펄스 폭, 조정 가능한 단일 펄스 에너지(1 ~ 3) mJ, 수광 렌즈 시야각 2°, 반복 주파수 1 kHz, 검출기 듀티 비 약 60%를 구현합니다. APD의 내부 광전류 이득, 빠른 응답, 소형 크기, 내구성 및 저렴한 비용 덕분에 APD 광 검출기는 PIN 광 검출기보다 감지 속도가 훨씬 더 빠르므로 현재 주류 LiDAR는 주로 애벌랜치 광 검출기가 주도하고 있습니다.
전반적으로, 국내외 InGaAs 제조 기술의 급속한 발전으로, 우리는 MBE, MOCVD, LPE 및 기타 기술을 능숙하게 사용하여 InP 기판 위에 대면적 고품질 InGaAs 에피택셜 층을 제조할 수 있습니다.InGaAs 광검출기는 낮은 암전류와 높은 응답성을 나타내며, 가장 낮은 암전류는 0.75 pA/μm² 미만이고, 최대 응답성은 최대 0.57 A/W이며 빠른 과도 응답(ps 순서)을 갖습니다.InGaAs 광검출기의 미래 개발은 다음 두 가지 측면에 초점을 맞출 것입니다.(1) InGaAs 에피택셜 층은 Si 기판 위에 직접 성장됩니다.현재 시장에 나와 있는 대부분의 마이크로 전자 소자는 Si 기반이며, 이후 InGaAs와 Si 기반의 통합 개발이 일반적인 추세입니다.격자 부정합 및 열팽창 계수 차이와 같은 문제를 해결하는 것은 InGaAs/Si 연구에 중요합니다. (2) 1550nm 파장 기술은 이미 성숙 단계에 있으며, 장파장(2.0 ~ 2.5μm)이 향후 연구 방향입니다. In 성분의 증가에 따라 InP 기판과 InGaAs 에피택셜층 사이의 격자 불일치는 더 심각한 전위 및 결함으로 이어질 수 있으므로, 소자 공정 파라미터를 최적화하고 격자 결함을 줄이며 소자 암전류를 낮추는 것이 필수적입니다.
게시 시간: 2024년 5월 6일