InGaAs光検出器の構造

の構造InGaAs光検出器

1980年代以降、国内外の研究者はInGaAs光検出器の構造を研究してきました。InGaAs光検出器は主に3つのタイプに分類されます。InGaAs金属-半導体-金属光検出器（MSM-PD）、InGaAs PIN光検出器（PIN-PD）、InGaAsアバランシェ光検出器（APD-PD）です。構造の異なるInGaAs光検出器は、製造プロセスとコストに大きな違いがあり、デバイス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)に示すのは、ショットキー接合に基づく特殊な構造である。 1992年に、Shiらは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ャル層を成長させ、波長1.3μmで0.42A/Wの高い応答性と、1.5Vで5.6pA/μm²未満の暗電流を備えたInGaAs MSM光検出器を調製した。 1996年に、zhangらは気相分子線エピタキシー（GSMBE）を使用して、InAlAs-InGaAs-InPエピタキシャル層を成長させた。 InAlAs層は高抵抗特性を示し、成長条件はX線回折測定によって最適化され、InGaAs層とInAlAs層間の格子不整合は1×10⁻³の範囲内に収まった。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 の高速過渡応答という最適化されたデバイス性能が得られます。全体的に、MSM 構造の光検出器はシンプルで統合が容易であり、低い暗電流 (pA オーダー) を示しますが、金属電極によってデバイスの有効光吸収領域が減少するため、他の構造よりも応答が低くなります。

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することで、空乏領域の幅を広げ、より多くの電子正孔対を放射し、より大きな光電流を形成するため、優れた電子伝導性能を備えています。2007年、A.PoloczekらはMBE法を用い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法を用いて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光検出器を用いて、小型無人地上車両のナビゲーション、障害物／衝突回避、短距離目標の検知／識別を目的としたLiDARイメージング装置を研究しました。この装置には、InGaAs PIN光検出器の信号対雑音比を大幅に向上させる低コストのマイクロ波増幅器チップが統合されていました。この研究に基づき、ALRは2012年にこのLiDARイメージング装置をロボットに搭載し、検知範囲は50m以上、解像度は256×128を実現しました。

InGaAsアバランシェ光検出器はゲイン付き光検出器の一種で、その構造は図(c)に示されています。電子正孔対は、倍増領域内の電界の作用下で十分なエネルギーを得て原子と衝突し、新たな電子正孔対を生成してアバランシェ効果を形成し、材料内の非平衡キャリアを増殖させます。2013年、George M.はMBE法を用いてInP基板上に格子整合したInGaAsおよびInAlAs合金を成長させました。合金組成、エピタキシャル層の厚さ、および変調キャリアエネルギーへのドーピングを変化させることで、電気ショックイオン化を最大化し、正孔イオン化を最小限に抑えました。等価出力信号ゲインにおいて、APDはノイズと暗電流を低減します。2016年、Sun JianfengらはInGaAsアバランシェ光検出器をベースにした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を構築しました。APD光検出器このプラットフォームは、受信したエコーをデジタル信号で直接出力することで、デバイス全体をコンパクトにしています。実験結果を図(d)と(e)に示します。図(d)は撮像対象の実物写真、図(e)は3次元距離画像です。領域cのウィンドウ領域が領域Aと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、10 ns未満のパルス幅、単一パルスエネルギー(1〜3)mJの調整可能、受信レンズ視野角2°、繰り返し周波数1 kHz、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桁高いため、現在主流の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。

全体的に見て、国内外の InGaAs 製造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製造できるようになりました。InGaAs 光検出器は、暗電流が低く応答性が高く、最低暗電流は 0.75 pA/μm² 未満、最大応答性は最大 0.57 A/W、過渡応答は高速 (ps オーダー) です。InGaAs 光検出器の今後の開発は、次の 2 つの側面に重点が置かれます。(1) InGaAs エピタキシャル層を Si 基板上に直接成長させる。現在、市場のマイクロエレクトロニクス デバイスのほとんどは Si ベースであり、その後の InGaAs ベースと Si ベースの統合開発が一般的な傾向です。格子不整合や熱膨張係数の差などの問題を解決することは、InGaAs/Si の研究では非常に重要です。 （2）1550nm波長帯の技術は成熟しており、今後の研究方向は波長拡張（2.0～2.5μm）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が転位や欠陥の深刻化につながるため、デバイスプロセスパラメータの最適化、格子欠陥の低減、デバイス暗電流の低減が求められる。