InGaAs光検出器の構造

の構造InGaAs光検出器

1980 年代以来、国内外の研究者によって InGaAs 光検出器の構造が研究されており、主に 3 つのタイプに分類されます。それらは、InGaAs 金属 - 半導体 - 金属光検出器 (MSM-PD)、InGaAs PIN 光検出器 (PIN-PD)、および InGaAs アバランシェ光検出器 (APD-PD) です。 InGaAs光検出器の構造が異なると製造プロセスとコストに大きな違いがあり、デバイスの性能にも大きな違いがあります。

InGaAs 金属-半導体-金属光検出器図 (a) に示す は、ショットキー接合に基づく特殊な構造です。 1992 年、Shi ら。低圧有機金属気相エピタキシー技術 (LP-MOVPE) を使用してエピタキシー層を成長させ、波長 1.3 μm で 0.42 A/W の高い応答性と 5.6 pA/ 未満の暗電流を備えた InGaAs MSM 光検出器を準備しました。 1.5 V で μm²。1996 年に、zhang et al.気相分子線エピタキシー (GSMBE) を使用して、InAlAs-InGaAs-InP エピタキシー層を成長させました。 ＩｎＡｌＡｓ層は高い抵抗率特性を示し、ＩｎＧａＡｓ層とＩｎＡｌＡｓ層の間の格子不整合が１×１０-3の範囲内になるように、Ｘ線回折測定によって成長条件が最適化された。これにより、10 V で暗電流が 0.75 pA/μm² 未満、5 V で最大 16 ps の高速過渡応答を実現するデバイス性能が最適化されます。全体として、MSM 構造の光検出器はシンプルで統合が容易で、暗電流 (pA) が低いことがわかります。ただし、金属電極によりデバイスの実効光吸収面積が減少するため、他の構造に比べて応答性が低くなります。

InGaAs PIN 光検出器は、図 (b) に示すように、P 型コンタクト層と N 型コンタクト層の間に真性層を挿入します。これにより、空乏領域の幅が増加し、より多くの電子 - 正孔ペアが放射され、光電流が大きいため、電子伝導性能に優れています。 2007 年に、A.Poloczek ら。は、MBE を使用して低温バッファ層を成長させ、表面粗さを改善し、Si と InP 間の格子不整合を克服しました。 MOCVD を使用して InP 基板上に InGaAs PIN 構造を集積し、デバイスの応答性は約 0.57A /W でした。 2011 年、陸軍研究所 (ALR) は、PIN 光検出器を使用して、小型無人地上車両のナビゲーション、障害物/衝突回避、近距離目標の検出/識別用の LiDAR イメージャを研究しました。これには、低コストのマイクロ波増幅器チップが統合されています。 InGaAs PIN 光検出器の信号対雑音比が大幅に改善されました。これに基づいて、ALR は 2012 年に、50 m 以上の検出範囲と 256 × 128 の解像度を備えたこの LiDAR イメージャーをロボットに使用しました。

InGaAsアバランシェ光検出器はゲインを備えた一種の光検出器であり、その構造を図(c)に示します。電子 - 正孔対は、倍増領域内の電場の作用下で十分なエネルギーを獲得し、原子と衝突し、新しい電子 - 正孔対を生成し、なだれ効果を形成し、材料内の非平衡キャリアを増加させます。 。 2013 年、George M は MBE を使用して、InP 基板上に格子整合する InGaAs および InAlAs 合金を成長させました。その際、合金組成、エピタキシャル層の厚さ、変調されたキャリア エネルギーへのドーピングを変更することで、正孔イオン化を最小限に抑えながら電気ショック イオン化を最大化しました。同等の出力信号ゲインでは、APD はより低いノイズとより低い暗電流を示します。 2016 年、Sun Jianfeng らはInGaAsアバランシェ光検出器に基づいた1570nmレーザーアクティブイメージング実験プラットフォームのセットを構築しました。内部回路はAPD光検出器エコーを受信して​​デジタル信号を直接出力するため、装置全体がコンパクトになります。実験結果を図１に示す。 (d) と (e)。図(d)は撮像対象の物理写真、図(e)は三次元距離画像である。領域 c の窓領域が領域 A および領域 b と一定の奥行き距離を持っていることがはっきりとわかります。このプラットフォームは、10ns未満のパルス幅、単一パルスエネルギー（1〜3）mJ調整可能、受信レンズ視野角2°、繰り返し周波数1kHz、検出器デューティ比約60%を実現します。 APD の内部光電流ゲイン、高速応答、コンパクトなサイズ、耐久性、低コストのおかげで、APD 光検出器は PIN 光検出器よりも検出率が 1 桁も高くなる可能性があるため、現在の主流の LiDAR は主にアバランシェ光検出器によって占められています。

全体として、国内外の InGaAs 作製技術の急速な発展により、MBE、MOCVD、LPE などの技術を巧みに利用して、InP 基板上に大面積の高品質 InGaAs エピタキシャル層を作製することができます。 InGaAs 光検出器は低い暗電流と高い応答性を示し、最低暗電流は 0.75 pA/μm² 未満、最大応答性は最大 0.57 A/W で、高速過渡応答 (ps オーダー) を備えています。 InGaAs 光検出器の将来の開発は、次の 2 つの側面に焦点を当てます。 (1) InGaAs エピタキシャル層は Si 基板上に直接成長します。現在、市場にあるマイクロ電子デバイスのほとんどは Si ベースであり、その後、InGaAs と Si ベースの統合開発が一般的な傾向となっています。格子不整合や熱膨張係数の違いなどの問題を解決することは、InGaAs/Si の研究にとって重要です。 (2) 1550 nm の波長技術は成熟しており、拡張波長 (2.0 ～ 2.5) μm が今後の研究方向である。 In 成分の増加に伴い、InP 基板と InGaAs エピタキシャル層間の格子不整合により、より深刻な転位や欠陥が発生するため、デバイスのプロセスパラメータを最適化し、格子欠陥を低減し、デバイスの暗電流を低減する必要があります。