أحدث الأبحاث حول كاشف ضوئي للانهيارات الثلجية

أحدث الأبحاثكاشف ضوئي للانهيارات الثلجية

تُستخدم تقنية الكشف بالأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع في الاستطلاع العسكري، والرصد البيئي، والتشخيص الطبي، وغيرها من المجالات. وتعاني أجهزة الكشف التقليدية بالأشعة تحت الحمراء من بعض القيود في الأداء، مثل حساسية الكشف وسرعة الاستجابة، وما إلى ذلك. تتميز مواد InAs/InAsSb من الفئة الثانية ذات البنية الفوقية (T2SL) بخصائص كهروضوئية ممتازة وقابلية ضبط عالية، مما يجعلها مثالية لأجهزة الكشف بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة (LWIR). لطالما شكلت مشكلة ضعف الاستجابة في الكشف عن الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة مصدر قلق، مما يحد بشكل كبير من موثوقية تطبيقات الأجهزة الإلكترونية. على الرغم من أن كاشف الانهيار الضوئي (كاشف ضوئي APD(يتميز بأداء استجابة ممتاز، ولكنه يعاني من تيار مظلم عالٍ أثناء عملية الضرب).

لحل هذه المشكلات، نجح فريق من جامعة العلوم والتكنولوجيا الإلكترونية في الصين بتصميم ثنائي ضوئي انهياري عالي الأداء يعمل بالأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة، من النوع ذي البنية الفائقة من الفئة الثانية (T2SL). استخدم الباحثون معدل إعادة التركيب المنخفض لطبقة امتصاص InAs/InAsSb T2SL لتقليل التيار المظلم. في الوقت نفسه، استُخدم AlAsSb ذو قيمة k منخفضة كطبقة مضاعفة لكبح ضوضاء الجهاز مع الحفاظ على كسب كافٍ. يوفر هذا التصميم حلاً واعداً لتعزيز تطوير تقنية الكشف عن الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة. يعتمد الكاشف تصميمًا متدرجًا، ومن خلال ضبط نسبة تركيب InAs وInAsSb، يتم تحقيق انتقال سلس لبنية النطاق، مما يُحسّن أداء الكاشف. فيما يتعلق باختيار المواد وعملية التحضير، تصف هذه الدراسة بالتفصيل طريقة نمو مادة InAs/InAsSb T2SL المستخدمة في تحضير الكاشف، بالإضافة إلى معايير عملية التحضير. يُعدّ تحديد تركيب وسماكة طبقة InAs/InAsSb T2SL أمرًا بالغ الأهمية، ويتطلب ضبط المعلمات لتحقيق توازن الإجهاد. في سياق الكشف عن الأشعة تحت الحمراء ذات الموجات الطويلة، وللحصول على نفس طول موجة القطع لطبقة InAs/GaSb T2SL، يلزم استخدام طبقة أحادية أكثر سمكًا من InAs/InAsSb T2SL. مع ذلك، تؤدي زيادة سمك الطبقة الأحادية إلى انخفاض معامل الامتصاص في اتجاه النمو وزيادة الكتلة الفعالة للثقوب في طبقة T2SL. وقد وُجد أن إضافة عنصر Sb يمكن أن يحقق طول موجة قطع أطول دون زيادة ملحوظة في سمك الطبقة الأحادية. إلا أن زيادة نسبة Sb قد تؤدي إلى انفصال عناصر Sb.

لذلك، تم اختيار InAs/InAs0.5Sb0.5 T2SL مع مجموعة Sb 0.5 كطبقة فعالة في APDكاشف ضوئيتنمو طبقة InAs/InAsSb T2SL بشكل أساسي على ركائز GaSb، لذا يجب مراعاة دور GaSb في إدارة الإجهاد. يتضمن تحقيق توازن الإجهاد مقارنة متوسط ​​ثابت الشبكة البلورية للطبقة الفائقة لدورة واحدة بثابت شبكة الركيزة. عمومًا، يُعوض إجهاد الشد في InAs بإجهاد الضغط الناتج عن InAsSb، مما ينتج عنه طبقة InAs أكثر سمكًا من طبقة InAsSb. قامت هذه الدراسة بقياس خصائص الاستجابة الكهروضوئية لكاشف ضوئي انهياري، بما في ذلك الاستجابة الطيفية، والتيار المظلم، والضوضاء، وغيرها، وتحققت من فعالية تصميم الطبقة المتدرجة. كما تم تحليل تأثير مضاعفة الانهيار الضوئي للكاشف، ومناقشة العلاقة بين عامل المضاعفة وقدرة الضوء الساقط ودرجة الحرارة وغيرها من المعايير.

الشكل (أ) مخطط تخطيطي لكاشف ضوئي بالأشعة تحت الحمراء ذات موجة طويلة من نوع InAs/InAsSb؛ (ب) مخطط تخطيطي للمجالات الكهربائية في كل طبقة من طبقات الكاشف الضوئي APD.