InGaAs光検出器の構造

構造InGaAsフォトディテクタ
1980年代以降、研究者たちはInGaAs光検出器の構造を研究しており、それは主に3つのタイプに分類できる。InGaAs金属半導体金属光検出器(MSM-PD)、InGaAsPINフォトディテクタ（PIN-PD）およびInGaAs雪崩光検出器（APD-PD）。構造の異なるInGaAs光検出器は、製造プロセスや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。
図には、ショットキー接合に基づく特殊な構造であるInGaAs金属半導体金属光検出器構造の概略図が示されています。1992年、Shiらは低圧有機金属気相エピタキシー（LP-MOVPE）技術を使用してエピタキシャル層を成長させ、InGaAs MSM光検出器を作製しました。このデバイスは、波長1.3 μmで0.42 A/Wの高い応答性と、1.5 Vで5.6 pA/μ m 2未満の暗電流を有しています。1996年、研究者らは気相分子線エピタキシー（GSMBE）を使用して、高い抵抗特性を示すInAlAs InGaAs InPエピタキシャル層を成長させました。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の範囲内となりました。その結果、デバイスの性能が最適化され、10 V での暗電流は 0.75 pA/μ m ² 未満、5 V での高速過渡応答は 16 ps となりました。全体として、MSM 構造の光検出器は、シンプルで統合しやすい構造を持ち、暗電流が低い (pA レベル) という特徴がありますが、金属電極によってデバイスの有効光吸収面積が減少するため、他の構造と比較して応答性が低くなります。

InGaAs PINフォトディテクタは、図に示すように、P型コンタクト層とN型コンタクト層の間に真性層が挿入されており、空乏層の幅が広がり、より多くの電子正孔対が放射され、より大きな光電流が形成されるため、優れた電子伝導性を示します。2007年、研究者らは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。彼らはMOCVDを使用してInP基板上にInGaAs PIN構造を統合し、デバイスの応答性は約0.57 A/Wでした。2011年、研究者らはPINフォトディテクタを使用して、小型無人地上車両のナビゲーション、障害物/衝突回避、およびターゲット検出/認識のための短距離LiDARイメージングデバイスを開発しました。デバイスは低コストのマイクロ波アンプチップと統合され、InGaAs PINフォトディテクタの信号対雑音比が大幅に改善されました。この知見に基づき、2012年に研究者たちはこのLiDAR画像装置をロボットに応用し、検出範囲を50メートル以上に拡大し、解像度を256×128に向上させた。
InGaAsアバランシェフォトディテクタは、構造図に示すように、ゲインを持つタイプのフォトディテクタです。電子正孔対は、倍増領域内の電界の作用により十分なエネルギーを得て、原子と衝突して新しい電子正孔対を生成し、アバランシェ効果を形成して材料中の非平衡電荷キャリアを倍増させます。2013年、研究者らはMBE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、合金組成、エピタキシャル層の厚さ、ドーピングの変化によってキャリアエネルギーを調整し、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の下で、APDは低ノイズと低暗電流を示します。2016年、研究者らはInGaAsアバランシェフォトディテクタをベースとした1570 nm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光検出器受信したエコーを直接デジタル信号として出力することで、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）と図（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。ゾーンCのウィンドウ領域がゾーンAとBから一定の奥行き距離にあ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、調整可能な単一パルスエネルギー（1～3）mJ、送信レンズと受信レンズの視野角2°、繰り返し周波数1 kHz、検出器デューティサイクル約60%を実現しています。APDは内部光電流ゲイン、高速応答、小型サイズ、耐久性、低コストのおかげで、PINフォトディテクタよりも1桁高い検出率を実現できます。そのため、現在主流のレーザーレーダーは主にアバランシェフォトディテクタを使用しています。