بنية كاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد

هيكلكاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد
منذ ثمانينيات القرن الماضي، يدرس الباحثون بنية كاشفات الضوء المصنوعة من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs)، والتي يمكن تلخيصها في ثلاثة أنواع رئيسية: إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs) معدني، شبه موصل، معدنيأجهزة الكشف الضوئي(MSM-PD)، InGaAsكاشفات ضوئية PIN(PIN-PD)، و InGaAsكاشفات ضوئية للانهيارات الثلجية(APD-PD). هناك اختلافات كبيرة في عملية الإنتاج وتكلفة أجهزة الكشف الضوئي InGaAs ذات الهياكل المختلفة، وهناك أيضًا اختلافات كبيرة في أداء الجهاز.
يوضح الشكل المخطط التوضيحي لبنية كاشف ضوئي معدني شبه موصل من نوع InGaAs، وهو بنية خاصة تعتمد على وصلة شوتكي. في عام 1992، استخدم شي وزملاؤه تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني تحت ضغط منخفض (LP-MOVPE) لترسيب طبقات رقيقة وتحضير كواشف ضوئية من نوع InGaAs MSM. يتميز هذا الجهاز بحساسية عالية تبلغ 0.42 أمبير/واط عند طول موجي 1.3 ميكرومتر، وتيار مظلم أقل من 5.6 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع عند جهد 1.5 فولت. وفي عام 1996، استخدم باحثون تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي في الطور الغازي (GSMBE) لترسيب طبقات رقيقة من InAlAs وInGaAs وInP، والتي أظهرت خصائص مقاومة عالية. تم تحسين ظروف النمو باستخدام قياسات حيود الأشعة السينية، مما أدى إلى عدم تطابق شبكي بين طبقتي InGaAs وInAlAs في حدود 1 × 10⁻³. ونتيجة لذلك، تم تحسين أداء الجهاز، حيث بلغ تيار الظلام أقل من 0.75 بيكو أمبير/ميكرومتر مربع عند 10 فولت، واستجابة عابرة سريعة قدرها 16 بيكو ثانية عند 5 فولت. بشكل عام، يتميز كاشف الضوء ذو بنية MSM ببنية بسيطة وسهلة الدمج، ويُظهر تيار ظلام منخفضًا (بمستوى بيكو أمبير)، إلا أن القطب المعدني يقلل من مساحة امتصاص الضوء الفعالة للجهاز، مما يؤدي إلى انخفاض الاستجابة مقارنةً بالبنى الأخرى.

يحتوي كاشف InGaAs PIN الضوئي على طبقة داخلية مُدرجة بين طبقة التلامس من النوع P وطبقة التلامس من النوع N، كما هو موضح في الشكل، مما يزيد من عرض منطقة الاستنزاف، وبالتالي يُشع المزيد من أزواج الإلكترون-فجوة ويُشكل تيارًا ضوئيًا أكبر، مما يُظهر موصلية إلكترونية ممتازة. في عام 2007، استخدم الباحثون تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) لإنماء طبقات عازلة منخفضة الحرارة، مما حسّن خشونة السطح وتغلب على عدم تطابق الشبكة البلورية بين السيليكون (Si) وفوسفيد الإنديوم (InP). قاموا بدمج هياكل InGaAs PIN على ركائز InP باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD)، وبلغت استجابة الجهاز حوالي 0.57 أمبير/واط. في عام 2011، استخدم الباحثون كواشف PIN الضوئية لتطوير جهاز تصوير LiDAR قصير المدى للملاحة، وتجنب العوائق/الاصطدامات، والكشف عن الأهداف/التعرف عليها للمركبات الأرضية الصغيرة غير المأهولة. تم دمج الجهاز مع شريحة مكبر موجات ميكروية منخفضة التكلفة، مما أدى إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء في كاشفات الضوء InGaAs PIN بشكل ملحوظ. وبناءً على ذلك، قام الباحثون في عام 2012 بتطبيق جهاز التصوير LiDAR هذا على الروبوتات، حيث بلغ مدى الكشف أكثر من 50 مترًا، وزادت الدقة إلى 256 × 128.
يُعدّ كاشف الانهيار الضوئي InGaAs نوعًا من الكواشف الضوئية ذات الكسب، كما هو موضح في مخطط التركيب. تكتسب أزواج الإلكترون-فجوة طاقة كافية تحت تأثير المجال الكهربائي داخل منطقة المضاعفة، وتصطدم بالذرات لتوليد أزواج إلكترون-فجوة جديدة، مما يُشكّل تأثير الانهيار الضوئي ويُضاعف حاملات الشحنة غير المتوازنة في المادة. في عام 2013، استخدم الباحثون تقنية الترسيب الجزيئي الشعاعي (MBE) لترسيب سبائك InGaAs وInAlAs المتوافقة شبكيًا على ركائز InP، مع تعديل طاقة حاملات الشحنة من خلال تغييرات في تركيب السبيكة، وسُمك الطبقة فوق المحورية، والتطعيم، مما يزيد من تأين الصدمة الكهربائية إلى أقصى حد مع تقليل تأين الفجوات إلى أدنى حد. في ظل كسب إشارة خرج مكافئ، يُظهر كاشف الانهيار الضوئي (APD) ضوضاء منخفضة وتيارًا مظلمًا أقل. في عام 2016، أنشأ الباحثون منصة تجريبية للتصوير النشط بالليزر بطول موجي 1570 نانومتر تعتمد على كواشف 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). يمثل الشكل (د) صورة فوتوغرافية للهدف المراد تصويره، بينما يمثل الشكل (هـ) صورة ثلاثية الأبعاد للمسافة. من الواضح أن منطقة النافذة في المنطقة (ج) تبعد مسافة معينة عن المنطقتين (أ) و(ب). تتميز هذه المنصة بعرض نبضة أقل من 10 نانوثانية، وطاقة نبضة واحدة قابلة للتعديل (1-3) ملي جول، وزاوية رؤية تبلغ 2 درجة لعدستي الإرسال والاستقبال، ومعدل تكرار 1 كيلوهرتز، ودورة تشغيل للكاشف تبلغ حوالي 60%. بفضل كسب التيار الضوئي الداخلي، والاستجابة السريعة، والحجم الصغير، والمتانة، والتكلفة المنخفضة لكواشف الانهيار الضوئي (APD)، يمكن لكواشف الانهيار الضوئي تحقيق معدل كشف أعلى بعشرة أضعاف من كواشف الانهيار الضوئي PIN. لذلك، يستخدم رادار الليزر السائد حاليًا كواشف الانهيار الضوئي بشكل أساسي.