بنية كاشف الضوء InGaAs

هيكلكاشف ضوئي InGaAs

منذ ثمانينيات القرن الماضي، درس باحثون محليون ودوليون بنية كواشف InGaAs الضوئية، والتي تنقسم بشكل رئيسي إلى ثلاثة أنواع: كاشف InGaAs الضوئي المعدني شبه الموصل (MSM-PD)، وكاشف InGaAs الضوئي PIN (PIN-PD)، وكاشف InGaAs الضوئي للانهيارات الجليدية (APD-PD). تختلف كواشف InGaAs الضوئية اختلافًا كبيرًا في عملية التصنيع والتكلفة، كما تختلف في أدائها.

معدن أشباه الموصلات المعدنية من InGaAsكاشف ضوئي، الموضح في الشكل (أ)، هو بنية خاصة مبنية على وصلة شوتكي. في عام ١٩٩٢، استخدم شي وزملاؤه تقنية التكاثر الطبقي للبخار المعدني العضوي منخفض الضغط (LP-MOVPE) لتنمية طبقات التكاثر، وأعدوا كاشفًا ضوئيًا من مادة InGaAs MSM، يتميز باستجابة عالية للأكسيد A تبلغ ٠٫٤٢ أمبير/وات عند طول موجي ١٫٣ ميكرومتر، وتيار مظلم أقل من ٥٫٦ بيكو أمبير/ميكرومتر مربع عند ١٫٥ فولت. في عام ١٩٩٦، استخدم تشانغ وزملاؤه تقنية التكاثر الطبقي الجزيئي في الطور الغازي (GSMBE) لتنمية طبقة التكاثر InAlAs-InGaAs-InP. أظهرت طبقة InAlAs خصائص مقاومة عالية، وتم تحسين ظروف النمو من خلال قياس حيود الأشعة السينية، بحيث كان عدم تطابق الشبكة بين طبقتي InGaAs وInAlAs ضمن نطاق ١×١٠⁻³. يؤدي هذا إلى تحسين أداء الجهاز مع تيار مظلم أقل من 0.75 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع عند 10 فولت واستجابة سريعة عابرة تصل إلى 16 بيكو ثانية عند 5 فولت. وبشكل عام، فإن كاشف الضوء الهيكلي MSM بسيط وسهل التكامل، حيث يظهر تيار مظلم منخفض (ترتيب بيكو أمبير)، ولكن القطب المعدني سيقلل من مساحة امتصاص الضوء الفعالة للجهاز، وبالتالي تكون الاستجابة أقل من الهياكل الأخرى.

يُدخل كاشف الضوء InGaAs PIN طبقةً داخليةً بين طبقتي التلامس من النوع P وN، كما هو موضح في الشكل (ب)، مما يزيد من عرض منطقة الاستنفاد، مما يُشعّ المزيد من أزواج الإلكترونات والفجوات، ويشكّل تيارًا ضوئيًا أكبر، ما يُتيح توصيلًا ممتازًا للإلكترونات. في عام 2007، استخدم A.Poloczek وآخرون تقنية MBE لتكوين طبقة عازلة منخفضة الحرارة لتحسين خشونة السطح والتغلب على عدم تطابق الشبكة بين Si وInP. استُخدمت تقنية MOCVD لدمج بنية InGaAs PIN على ركيزة InP، وبلغت استجابة الجهاز حوالي 0.57 أمبير/وات. في عام ٢٠١١، استخدم مختبر أبحاث الجيش (ALR) أجهزة الكشف الضوئية PIN لدراسة جهاز تصوير ليدار (liDAR) للملاحة، وتجنب العوائق/الاصطدامات، وكشف وتحديد الأهداف قصيرة المدى للمركبات الأرضية الصغيرة غير المأهولة، مُدمجًا مع شريحة مُضخّم ميكروويف منخفضة التكلفة، مما حسّن بشكل ملحوظ نسبة الإشارة إلى الضوضاء لجهاز الكشف الضوئي PIN المصنوع من InGaAs. بناءً على ذلك، استخدم مختبر أبحاث الجيش (ALR) في عام ٢٠١٢ جهاز التصوير ليدار هذا للروبوتات، بمدى كشف يزيد عن ٥٠ مترًا ودقة ٢٥٦ × ١٢٨.

إنغاسكاشف ضوئي للانهيارات الجليديةهو نوع من كاشفات الضوء ذات الكسب، ويوضح الشكل (ج) بنيته. يحصل زوج الإلكترون-الفجوة على طاقة كافية تحت تأثير المجال الكهربائي داخل منطقة المضاعفة، بحيث يصطدم بالذرة، ويولد أزواجًا جديدة من الإلكترونات-الفجوات، ويشكل تأثير الانهيار، ويضاعف ناقلات الشحنة غير المتوازنة في المادة. في عام 2013، استخدم جورج م. MBE لتنمية سبائك InGaAs وInAlAs المتطابقة شبكيًا على ركيزة InP، باستخدام تغييرات في تركيب السبائك، وسمك الطبقة الفوقية، والتطعيم لطاقة الناقل المعدلة لزيادة تأين الصدمات الكهربائية إلى أقصى حد مع تقليل تأين الثقوب إلى أدنى حد. عند كسب إشارة الخرج المكافئ، يُظهر APD ضوضاء أقل وتيارًا مظلمًا أقل. في عام 2016، بنى صن جيانفينج وآخرون مجموعة من منصة تجريبية للتصوير النشط بالليزر بطول موجة 1570 نانومتر تعتمد على كاشف الانهيار الضوئي InGaAs. الدائرة الداخلية لـكاشف ضوئي APDاستقبلت أصداء وإشارات رقمية مُخرَجة مباشرةً، مما يجعل الجهاز بأكمله مضغوطًا. تظهر النتائج التجريبية في الشكلين (د) و(هـ). الشكل (د) هو صورة مادية لهدف التصوير، والشكل (هـ) هو صورة مسافة ثلاثية الأبعاد. يمكن رؤية أن مساحة نافذة المنطقة ج لها مسافة عمق معينة مع المنطقة أ و ب بوضوح. تحقق المنصة عرض نبضة أقل من 10 نانوثانية، وطاقة نبضة واحدة (1 ~ 3) مللي جول قابلة للتعديل، وزاوية مجال عدسة الاستقبال 2 درجة، وتردد التكرار 1 كيلو هرتز، ونسبة واجب الكاشف حوالي 60٪. بفضل مكسب التيار الضوئي الداخلي لـ APD، والاستجابة السريعة، والحجم الصغير، والمتانة، والتكلفة المنخفضة، يمكن أن تكون أجهزة الكشف الضوئية APD أعلى بمقدار مرتبة من حيث الحجم في معدل الكشف من أجهزة الكشف الضوئية PIN، وبالتالي فإن أجهزة الكشف الضوئية الانهيارية تهيمن بشكل أساسي على الليدار السائد الحالي.

بشكل عام، مع التطور السريع لتكنولوجيا تحضير InGaAs في الداخل والخارج، يمكننا استخدام تقنيات MBE وMOCVD وLPE وغيرها بمهارة لإعداد طبقة إيبيتاكسية عالية الجودة من InGaAs على مساحة كبيرة على ركيزة InP. تُظهر أجهزة الكشف الضوئية InGaAs تيارًا مظلمًا منخفضًا واستجابة عالية، حيث يكون أدنى تيار مظلم أقل من 0.75 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع، وتصل أقصى استجابة إلى 0.57 أمبير/وات، وتتمتع باستجابة سريعة عابرة (من مرتبة ps). سيركز التطوير المستقبلي لأجهزة الكشف الضوئية InGaAs على الجانبين التاليين: (1) تنمو الطبقة الإيبيتاكسية InGaAs مباشرة على ركيزة Si. في الوقت الحاضر، تعتمد معظم الأجهزة الإلكترونية الدقيقة في السوق على Si، والتطوير المتكامل اللاحق لـ InGaAs وSi هو الاتجاه العام. يُعد حل المشكلات مثل عدم تطابق الشبكة واختلاف معامل التمدد الحراري أمرًا بالغ الأهمية لدراسة InGaAs/Si؛ (2) وصلت تقنية الطول الموجي 1550 نانومتر إلى مرحلة النضج، ويُعدّ الطول الموجي الممتد (2.0 ~ 2.5) ميكرومتر اتجاهًا بحثيًا مستقبليًا. مع زيادة مكونات In، سيؤدي عدم تطابق الشبكة بين ركيزة InP وطبقة InGaAs الفوقية إلى خلل وعيوب أكثر خطورة، لذا من الضروري تحسين معلمات عملية الجهاز، وتقليل عيوب الشبكة، وتقليل تيار الظلام في الجهاز.