بنية كاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد

هيكلكاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد

منذ ثمانينيات القرن الماضي، درس باحثون محليون ودوليون بنية كاشفات الضوء المصنوعة من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs)، والتي تُصنف أساسًا إلى ثلاثة أنواع: كاشف الضوء المعدني-شبه الموصل-المعدني (MSM-PD)، وكاشف الضوء PIN (PIN-PD)، وكاشف الضوء الانهياري (APD-PD). وتوجد اختلافات كبيرة في عملية تصنيع وتكلفة هذه الكاشفات باختلاف بنيتها، فضلًا عن اختلافات ملحوظة في أدائها.

معدن-شبه موصل-معدن InGaAsكاشف ضوئييُظهر الشكل (أ) بنيةً خاصةً تعتمد على وصلة شوتكي. في عام 1992، استخدم شي وزملاؤه تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني تحت ضغط منخفض (LP-MOVPE) لترسيب طبقات رقيقة، وصنعوا كاشفًا ضوئيًا من نوع InGaAs MSM، يتميز بحساسية عالية تبلغ 0.42 أمبير/واط عند طول موجي 1.3 ميكرومتر، وتيار مظلم أقل من 5.6 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع عند 1.5 فولت. في عام 1996، استخدم تشانغ وزملاؤه تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي في الطور الغازي (GSMBE) لترسيب طبقة InAlAs-InGaAs-InP. أظهرت طبقة InAlAs مقاومةً عالية، وتم تحسين ظروف الترسيب باستخدام قياس حيود الأشعة السينية، بحيث كان عدم تطابق الشبكة البلورية بين طبقتي InGaAs وInAlAs ضمن نطاق 1×10⁻³. ينتج عن ذلك أداء مُحسَّن للجهاز مع تيار مظلم أقل من 0.75 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع عند 10 فولت واستجابة عابرة سريعة تصل إلى 16 بيكو ثانية عند 5 فولت. بشكل عام، يتميز كاشف الضوء ذو بنية MSM بالبساطة وسهولة الدمج، ويُظهر تيارًا مظلمًا منخفضًا (في حدود البيكو أمبير)، ولكن القطب المعدني سيقلل من مساحة امتصاص الضوء الفعالة للجهاز، لذا فإن الاستجابة أقل من البنى الأخرى.

يُدخل كاشف الضوء InGaAs PIN طبقةً داخليةً بين طبقة التلامس من النوع P وطبقة التلامس من النوع N، كما هو موضح في الشكل (ب)، مما يزيد من عرض منطقة الاستنزاف، وبالتالي يُشعّ المزيد من أزواج الإلكترون-فجوة ويُشكّل تيارًا ضوئيًا أكبر، مما يُكسبه أداءً ممتازًا في توصيل الإلكترونات. في عام 2007، استخدم أ. بولوتشيك وآخرون تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) لترسيب طبقة عازلة منخفضة الحرارة لتحسين خشونة السطح والتغلب على عدم تطابق الشبكة البلورية بين السيليكون وفوسفيد الإنديوم. استُخدمت تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD) لدمج بنية InGaAs PIN على ركيزة InP، وبلغت استجابة الجهاز حوالي 0.57 أمبير/واط. في عام 2011، استخدم مختبر أبحاث الجيش الأمريكي (ALR) كاشفات ضوئية من نوع PIN لدراسة جهاز تصوير بتقنية الليدار (liDAR) لأغراض الملاحة، وتجنب العوائق والاصطدامات، والكشف عن الأهداف قصيرة المدى وتحديدها، وذلك للمركبات الأرضية الصغيرة غير المأهولة. وقد دُمج هذا الجهاز مع شريحة مكبر موجات ميكروية منخفضة التكلفة، مما أدى إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء لكاشف InGaAs PIN الضوئي بشكل ملحوظ. وبناءً على ذلك، استخدم مختبر أبحاث الجيش الأمريكي (ALR) في عام 2012 جهاز التصوير بتقنية الليدار هذا للروبوتات، بمدى كشف يزيد عن 50 مترًا ودقة 256 × 128.

إنجال أرسينيدكاشف ضوئي للانهيارات الثلجيةهو نوع من كاشفات الضوء ذات الكسب، ويظهر تركيبه في الشكل (ج). يكتسب زوج الإلكترون-فجوة طاقة كافية تحت تأثير المجال الكهربائي داخل منطقة المضاعفة، مما يسمح له بالاصطدام بالذرة، وتوليد أزواج إلكترون-فجوة جديدة، وتكوين تأثير انهياري، ومضاعفة حاملات الشحنة غير المتوازنة في المادة. في عام 2013، استخدم جورج م. تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) لترسيب سبائك InGaAs وInAlAs المتوافقة شبكيًا على ركيزة InP، مستخدمًا تغييرات في تركيب السبيكة، وسُمك الطبقة فوق المحورية، والتطعيم لتعديل طاقة حاملات الشحنة بهدف زيادة تأين الصدمة الكهربائية إلى أقصى حد مع تقليل تأين الفجوات إلى أدنى حد. عند كسب إشارة الخرج المكافئ، يُظهر كاشف الانهيار الضوئي (APD) ضوضاء أقل وتيارًا مظلمًا أقل. في عام 2016، قام صن جيانفينغ وآخرون ببناء مجموعة من منصات التصوير النشط بالليزر بطول موجي 1570 نانومتر، تعتمد على كاشف الانهيار الضوئي InGaAs. الدائرة الداخلية لـكاشف ضوئي APDيستقبل الجهاز أصداءً ويخرج إشارات رقمية مباشرة، مما يجعله صغير الحجم. تظهر النتائج التجريبية في الشكلين (د) و(هـ). الشكل (د) عبارة عن صورة فوتوغرافية للهدف المراد تصويره، بينما الشكل (هـ) عبارة عن صورة ثلاثية الأبعاد للمسافة. من الواضح أن منطقة النافذة (ج) لها مسافة عمق معينة مع المنطقتين (أ) و(ب). تحقق المنصة عرض نبضة أقل من 10 نانوثانية، وطاقة نبضة واحدة قابلة للتعديل (1-3) ملي جول، وزاوية مجال عدسة استقبال تبلغ 2 درجة، وتردد تكرار 1 كيلو هرتز، ونسبة تشغيل للكاشف تبلغ حوالي 60%. بفضل كسب التيار الضوئي الداخلي لكاشف الانهيار الضوئي (APD)، واستجابته السريعة، وحجمه الصغير، ومتانته، وتكلفته المنخفضة، يمكن أن تكون كاشفات الانهيار الضوئي (APD) أعلى بمقدار عشرة أضعاف في معدل الكشف من كاشفات النبض الضوئي (PIN)، ولذلك فإن تقنية الليدار السائدة حاليًا تعتمد بشكل أساسي على كاشفات الانهيار الضوئي.

بشكل عام، مع التطور السريع لتقنية تحضير InGaAs محليًا وعالميًا، يمكننا استخدام تقنيات مثل MBE وMOCVD وLPE وغيرها بكفاءة عالية لتحضير طبقة InGaAs رقيقة عالية الجودة على مساحة واسعة على ركيزة InP. تتميز كواشف InGaAs الضوئية بانخفاض تيار الظلام واستجابة عالية، حيث يقل أدنى تيار ظلام عن 0.75 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع، وتصل أقصى استجابة إلى 0.57 أمبير/واط، ولها استجابة عابرة سريعة (في حدود البيكو ثانية). سيركز التطوير المستقبلي لكواشف InGaAs الضوئية على جانبين رئيسيين: (1) تنمية طبقة InGaAs الرقيقة مباشرة على ركيزة السيليكون. في الوقت الحالي، تعتمد معظم الأجهزة الإلكترونية الدقيقة في السوق على السيليكون، ويُعد التكامل اللاحق بين InGaAs والسيليكون هو الاتجاه السائد. يُعد حل مشكلات مثل عدم تطابق الشبكة البلورية واختلاف معامل التمدد الحراري أمرًا بالغ الأهمية لدراسة InGaAs/Si؛ (2) لقد نضجت تقنية الطول الموجي 1550 نانومتر، ويُعدّ الطول الموجي الممتد (2.0 ~ 2.5) ميكرومتر اتجاه البحث المستقبلي. مع زيادة نسبة الإنديوم، سيؤدي عدم تطابق الشبكة البلورية بين ركيزة فوسفيد الإنديوم وطبقة إنديوم غاليوم أرسينيد المترسبة إلى تفاقم الانخلاعات والعيوب، لذا من الضروري تحسين معايير تصنيع الجهاز، والحد من عيوب الشبكة البلورية، وتقليل تيار الظلام.