InGaAs 광검출기의 구조

구조InGaAs 광검출기
1980년대 이후 연구자들은 InGaAs 광검출기의 구조를 연구해 왔으며, 이는 크게 InGaAs 금속 반도체, 금속 반도체의 세 가지 유형으로 요약할 수 있습니다.광검출기(MSM-PD), InGaAsPIN 광검출기(PIN-PD) 및 InGaAs애벌랜치 광검출기(APD-PD). 구조가 다른 InGaAs 광검출기는 제조 공정과 비용에 상당한 차이가 있으며, 소자 성능에도 상당한 차이가 있다.
그림은 쇼트키 접합을 기반으로 하는 특수한 구조인 InGaAs 금속 반도체 금속 광검출기 구조의 개략도를 보여줍니다. 1992년 Shi 등은 저압 금속 유기 기상 증착(LP-MOVPE) 기술을 이용하여 에피택셜 층을 성장시키고 InGaAs MSM 광검출기를 제작했습니다. 이 소자는 1.3 μm 파장에서 0.42 A/W의 높은 응답도와 1.5 V에서 5.6 pA/μm² 미만의 암전류를 나타냈습니다. 1996년에는 연구자들이 기상 분자빔 에피택시(GSMBE)를 이용하여 InAlAs InGaAs InP 에피택셜 층을 성장시켰으며, 이는 높은 저항 특성을 보였습니다. X선 회절 측정을 통해 성장 조건을 최적화한 결과, InGaAs와 InAlAs 층 사이의 격자 불일치가 1 × 10⁻³ 범위 내에 있었습니다. 그 결과, 소자 성능이 최적화되어 10V에서 암전류가 0.75 pA/μm² 미만이고 5V에서 빠른 과도 응답이 16 ps에 달했습니다. 전반적으로 MSM 구조의 광검출기는 구조가 간단하고 통합이 용이하며 낮은 암전류(pA 수준)를 나타내지만, 금속 전극으로 인해 소자의 유효 광 흡수 면적이 감소하여 다른 구조에 비해 응답성이 떨어지는 단점이 있습니다.

그림에서 보는 바와 같이 InGaAs PIN 광검출기는 P형 접촉층과 N형 접촉층 사이에 진성층이 삽입되어 있어 공핍 영역의 폭이 넓어지고, 그 결과 더 많은 전자-정공 쌍이 방출되어 더 큰 광전류가 생성되므로 우수한 전자 전도성을 나타냅니다. 2007년 연구진은 MBE(분자빔 에피택시)를 이용하여 저온 버퍼층을 성장시켜 표면 거칠기를 개선하고 Si와 InP 사이의 격자 불일치를 극복했습니다. 또한 MOCVD(금속-화학 기상 증착)를 사용하여 InP 기판 위에 InGaAs PIN 구조를 집적화했으며, 이 소자의 응답도는 약 0.57 A/W였습니다. 2011년 연구진은 PIN 광검출기를 이용하여 소형 무인 지상 차량의 내비게이션, 장애물/충돌 회피, 목표물 탐지/인식에 사용되는 단거리 LiDAR 이미징 장치를 개발했습니다. 이 장치는 저비용 마이크로파 증폭기 칩과 통합되어 InGaAs PIN 광검출기의 신호 대 잡음비를 크게 향상시켰습니다. 이를 바탕으로 연구진은 2012년에 이 LiDAR 영상 장치를 로봇에 적용하여 50미터 이상의 감지 범위와 256 × 128까지 향상된 해상도를 구현했습니다.
InGaAs 애벌랜치 광검출기는 구조도에 나타낸 바와 같이 이득을 갖는 광검출기의 한 종류입니다. 전자-정공 쌍은 배가 영역 내부의 전기장 작용으로 충분한 에너지를 얻고, 원자와 충돌하여 새로운 전자-정공 쌍을 생성함으로써 애벌랜치 효과를 일으켜 물질 내 비평형 전하 운반체를 배가시킵니다. 2013년, 연구진은 MBE(분자빔 에피택시)를 이용하여 InP 기판 위에 격자 정합된 InGaAs 및 InAlAs 합금을 성장시키고, 합금 조성, 에피택셜 층 두께 및 도핑 변화를 통해 운반체 에너지를 조절하여 전자 충격 이온화를 최대화하고 정공 이온화를 최소화했습니다. 동일한 출력 신호 이득에서, APD는 낮은 잡음과 낮은 암전류를 나타냅니다. 2016년, 연구진은 InGaAs 애벌랜치 광검출기를 기반으로 하는 1570nm 레이저 능동 이미징 실험 플랫폼을 구축했습니다. 내부 회로는 다음과 같습니다.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 A와 B로부터 일정한 깊이 거리를 두고 있음을 명확하게 확인할 수 있습니다. 이 플랫폼은 10ns 미만의 펄스 폭, 1~3mJ의 조절 가능한 단일 펄스 에너지, 송수신 렌즈의 2° 시야각, 1kHz의 반복률, 그리고 약 60%의 검출기 듀티 사이클을 구현합니다. APD 광검출기는 내부 광전류 이득, 빠른 응답 속도, 소형화, 내구성 및 저렴한 비용 덕분에 PIN 광검출기보다 한 자릿수 높은 검출률을 달성할 수 있습니다. 따라서 현재 주류 레이저 레이더는 주로 애벌랜치 광검출기를 사용합니다.