هيكل كاشف ضوئي InGaAs

هيكلكاشف ضوئي InGaAs

منذ الثمانينيات، درس الباحثون في الداخل والخارج بنية أجهزة الكشف الضوئية InGaAs، والتي تنقسم بشكل أساسي إلى ثلاثة أنواع. وهي كاشف ضوئي InGaAs للمعادن وأشباه الموصلات (MSM-PD)، وكاشف ضوئي InGaAs PIN (PIN-PD)، وكاشف ضوئي InGaAs Avalanche (APD-PD). هناك اختلافات كبيرة في عملية التصنيع وتكلفة أجهزة الكشف الضوئية InGaAs ذات الهياكل المختلفة، وهناك أيضًا اختلافات كبيرة في أداء الجهاز.

معدن InGaAs - معدن أشباه الموصلاتphotodetector، كما هو موضح في الشكل (أ)، عبارة عن هيكل خاص يعتمد على تقاطع شوتكي. في عام 1992، شي وآخرون. استخدمت تقنية الطور البخاري المعدني العضوي المنخفض الضغط (LP-MOVPE) لتنمية الطبقات الفوقية وإعداد كاشف ضوئي InGaAs MSM، والذي يتمتع باستجابة عالية تبلغ 0.42 A/W عند طول موجة يبلغ 1.3 ميكرومتر وتيار داكن أقل من 5.6 باسكال / واط. ميكرومتر مربع عند 1.5 فولت. في عام 1996، تشانغ وآخرون. تستخدم طبقة الشعاع الجزيئي لمرحلة الغاز (GSMBE) لتنمية الطبقة الفوقية InAlAs-InGaAs-InP. أظهرت طبقة InAlAs خصائص مقاومة عالية، وتم تحسين ظروف النمو عن طريق قياس حيود الأشعة السينية، بحيث كان عدم تطابق الشبكة بين طبقات InGaAs وInAlAs ضمن نطاق 1×10⁻³. يؤدي هذا إلى تحسين أداء الجهاز مع تيار داكن أقل من 0.75 باسكال / ميكرومتر مربع عند 10 فولت واستجابة عابرة سريعة تصل إلى 16 ps عند 5 فولت. بشكل عام، يعد الكاشف الضوئي لهيكل MSM بسيطًا وسهل التكامل، مما يُظهر تيارًا داكنًا منخفضًا (pA) النظام)، ولكن القطب المعدني سوف يقلل من منطقة امتصاص الضوء الفعالة للجهاز، وبالتالي فإن الاستجابة أقل من الهياكل الأخرى.

يقوم الكاشف الضوئي InGaAs PIN بإدخال طبقة جوهرية بين طبقة التلامس من النوع P وطبقة التلامس من النوع N، كما هو موضح في الشكل (ب)، مما يزيد من عرض منطقة النضوب، وبالتالي يشع المزيد من أزواج ثقب الإلكترون ويشكل تيار ضوئي أكبر، لذلك فهو يتمتع بأداء ممتاز في توصيل الإلكترون. في عام 2007، A.Poloczek وآخرون. استخدم MBE لتنمية طبقة عازلة ذات درجة حرارة منخفضة لتحسين خشونة السطح والتغلب على عدم تطابق الشبكة بين Si وInP. تم استخدام MOCVD لدمج بنية InGaAs PIN على الركيزة InP، وكانت استجابة الجهاز حوالي 0.57A /W. في عام 2011، استخدم مختبر أبحاث الجيش (ALR) أجهزة كشف ضوئية PIN لدراسة جهاز تصوير LiDAR للملاحة، وتجنب العوائق/الاصطدام، واكتشاف/تحديد الأهداف قصيرة المدى للمركبات الأرضية الصغيرة غير المأهولة، ومتكاملة مع شريحة مضخم صوت تعمل بالموجات الدقيقة منخفضة التكلفة والتي تحسن بشكل كبير نسبة الإشارة إلى الضوضاء للكاشف الضوئي InGaAs PIN. على هذا الأساس، في عام 2012، استخدم ALR جهاز تصوير LiDAR هذا للروبوتات، مع نطاق كشف يزيد عن 50 مترًا ودقة 256 × 128.

InGaAsكاشف ضوئي الانهيار الجليديهو نوع من الكاشف الضوئي ذو الكسب، ويظهر هيكله في الشكل (ج). يحصل زوج ثقب الإلكترون على طاقة كافية تحت تأثير المجال الكهربائي داخل منطقة المضاعفة، بحيث يصطدم بالذرة، ويولد أزواج ثقب إلكترون جديدة، ويشكل تأثير الانهيار الجليدي، ويضاعف الحاملات غير المتوازنة في المادة . في عام 2013، استخدم جورج إم MBE لتنمية سبائك InGaAs وInAlAs المطابقة للشبكة على ركيزة InP، وذلك باستخدام التغييرات في تكوين السبائك، وسمك الطبقة الفوقية، والمنشطات لطاقة حاملة معدلة لزيادة تأين الصدمات الكهربائية إلى الحد الأقصى مع تقليل تأين الثقب. عند كسب إشارة الخرج المكافئة، يُظهر APD ضوضاء أقل وتيارًا داكنًا أقل. في عام 2016، صن جيان فنغ وآخرون. تم بناء مجموعة من منصة تجريبية للتصوير النشط بالليزر بطول 1570 نانومتر استنادًا إلى كاشف ضوئي للانهيار الجليدي InGaAs. الدائرة الداخلية لكاشف ضوئي APDيستقبل الأصداء ويخرج الإشارات الرقمية مباشرة، مما يجعل الجهاز بأكمله مضغوطًا. وتظهر النتائج التجريبية في الشكل. (د) و (ه). الشكل (د) هو صورة مادية لهدف التصوير، والشكل (ه) هو صورة مسافة ثلاثية الأبعاد. يمكن أن نرى بوضوح أن مساحة النافذة في المنطقة c لها مسافة عمق معينة مع المنطقة A وb. تحقق المنصة عرض نبض 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 كسب التيار الكهروضوئي الداخلي لـ APD، والاستجابة السريعة، والحجم الصغير، والمتانة، والتكلفة المنخفضة، يمكن أن تكون كاشفات APD الضوئية أعلى بكثير في معدل الكشف من كاشفات PIN الضوئية، لذلك تهيمن أجهزة كشف الانهيارات الضوئية على التيار الرئيسي الحالي لـ LiDAR بشكل أساسي.

بشكل عام، مع التطور السريع لتكنولوجيا تحضير InGaAs في الداخل والخارج، يمكننا استخدام MBE وMOCVD وLPE وغيرها من التقنيات بمهارة لإعداد طبقة الفوقي InGaAs عالية الجودة على مساحة كبيرة على ركيزة InP. تُظهر أجهزة الكشف الضوئية InGaAs تيارًا داكنًا منخفضًا واستجابة عالية، وأقل تيار مظلم أقل من 0.75 باسكال / ميكرومتر مربع، والحد الأقصى للاستجابة يصل إلى 0.57 أمبير / واط، ولها استجابة عابرة سريعة (ترتيب ps). سيركز التطوير المستقبلي لكاشفات InGaAs الضوئية على الجانبين التاليين: (1) يتم زراعة الطبقة الفوقية لـ InGaAs مباشرة على ركيزة Si. في الوقت الحاضر، تعتمد معظم الأجهزة الإلكترونية الدقيقة الموجودة في السوق على Si، ويعتبر التطوير المتكامل اللاحق لـ InGaAs وSi هو الاتجاه العام. يعد حل المشكلات مثل عدم تطابق الشبكة وفرق معامل التمدد الحراري أمرًا بالغ الأهمية لدراسة InGaAs/Si؛ (2) أصبحت تقنية الطول الموجي 1550 نانومتر ناضجة، والطول الموجي الممتد (2.0 ~ 2.5) ميكرومتر هو اتجاه البحث المستقبلي. مع زيادة المكونات، سيؤدي عدم تطابق الشبكة بين الركيزة InP والطبقة الفوقية InGaAs إلى خلع وعيوب أكثر خطورة، لذلك من الضروري تحسين معلمات عملية الجهاز، وتقليل عيوب الشبكة، وتقليل التيار المظلم للجهاز.