บทคัดย่อ: โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) จะถูกแนะนำ มีการวิเคราะห์กระบวนการวิวัฒนาการของโครงสร้างอุปกรณ์ สรุปสถานะการวิจัยปัจจุบัน และศึกษาแนวโน้มการพัฒนา APD ในอนาคต
1. บทนำ
โฟโตดีเทกเตอร์เป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเครื่องตรวจจับสารกึ่งตัวนำตัวพาที่สร้างด้วยแสงซึ่งกระตุ้นโดยโฟตอนที่ตกกระทบจะเข้าสู่วงจรภายนอกภายใต้แรงดันไฟฟ้าอคติที่ใช้และสร้างโฟโตเคอร์เรนต์ที่วัดได้ แม้จะมีการตอบสนองสูงสุด โฟโตไดโอด PIN ก็สามารถผลิตคู่อิเล็กตรอน-โฮลได้มากที่สุดเท่านั้น ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีอัตราขยายภายใน หากต้องการการตอบสนองที่มากขึ้น สามารถใช้โฟโตไดโอดแบบอะวาแลนช์ (APD) ได้ เอฟเฟกต์การขยายของ APD ต่อโฟโตเคอร์เรนต์นั้นขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์การชนกันของไอออนไนเซชัน ภายใต้เงื่อนไขบางอย่าง อิเล็กตรอนและโฮลที่เร่งความเร็วสามารถรับพลังงานเพียงพอที่จะชนกับโครงตาข่ายเพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลคู่ใหม่ กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ดังนั้นคู่อิเล็กตรอน-โฮลที่เกิดจากการดูดกลืนแสงจึงสามารถผลิตคู่อิเล็กตรอน-โฮลได้จำนวนมากและสร้างโฟโตเคอร์เรนต์รองขนาดใหญ่ ดังนั้น APD จึงมีการตอบสนองและอัตราขยายภายในสูง ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์ APD จะใช้ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงระยะไกลหรือขนาดเล็กเป็นหลัก โดยมีข้อจำกัดอื่นๆ เกี่ยวกับกำลังแสงที่รับได้ ในปัจจุบันผู้เชี่ยวชาญด้านอุปกรณ์ออปติกจำนวนมากมีความหวังเป็นอย่างมากเกี่ยวกับโอกาสของ APD และเชื่อว่าการวิจัย APD เป็นสิ่งจำเป็นในการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันในระดับนานาชาติของสาขาที่เกี่ยวข้อง
2. การพัฒนาด้านเทคนิคเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม(เครื่องตรวจจับภาพ APD)
2.1 วัสดุ
(1)เครื่องตรวจจับภาพ Si
เทคโนโลยีวัสดุ Si เป็นเทคโนโลยีที่ก้าวหน้าซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ แต่ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมอุปกรณ์ที่มีความยาวคลื่น 1.31 มม. และ 1.55 มม. ที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในสาขาการสื่อสารด้วยแสง
(2)เกะ
แม้ว่าการตอบสนองทางสเปกตรัมของ Ge APD จะเหมาะสมกับข้อกำหนดการสูญเสียต่ำและการกระจายต่ำในการส่งสัญญาณใยแก้วนำแสง แต่กระบวนการเตรียมการก็ยังมีความยากลำบากมาก นอกจากนี้ อัตราส่วนอัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนและโฮลของ Ge ยังใกล้เคียงกับ () 1 ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะเตรียมอุปกรณ์ APD ประสิทธิภาพสูง
(3)ใน0.53Ga0.47As/ในP
เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเลือก In0.53Ga0.47As เป็นชั้นการดูดกลืนแสงของ APD และ InP เป็นชั้นตัวคูณ จุดสูงสุดของการดูดกลืนของวัสดุ In0.53Ga0.47As คือ 1.65 มม., 1.31 มม., 1.55 มม. ความยาวคลื่นมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนสูงประมาณ 104 ซม. -1 ซึ่งเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับชั้นการดูดกลืนของเครื่องตรวจจับแสงในปัจจุบัน
(4)เครื่องตรวจจับโฟโต InGaAs/ในเครื่องตรวจจับภาพ
การเลือก InGaAsP เป็นชั้นดูดซับแสงและ InP เป็นชั้นทวีคูณ ทำให้สามารถเตรียม APD ที่มีความยาวคลื่นตอบสนอง 1-1.4 มม. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระแสมืดต่ำ และค่าเกนหิมะถล่มสูงได้ การเลือกส่วนประกอบโลหะผสมที่แตกต่างกันทำให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสำหรับความยาวคลื่นเฉพาะ
(5)InGaAs/InAlAs
วัสดุ In0.52Al0.48As มีแบนด์แก๊ป (1.47eV) และไม่ดูดซับที่ช่วงความยาวคลื่น 1.55 มม. มีหลักฐานว่าชั้นเอพิแทกเซียล In0.52Al0.48As ที่บางสามารถรับลักษณะเกนได้ดีกว่า InP ในฐานะชั้นมัลติพลิเคเตอร์ภายใต้เงื่อนไขการฉีดอิเล็กตรอนบริสุทธิ์
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs และ InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
อัตราการแตกตัวของวัสดุจากการกระแทกเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ APD ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าอัตราการแตกตัวของชั้นตัวคูณสามารถปรับปรุงได้โดยการนำโครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs มาใช้ ด้วยการใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ วิศวกรรมแถบสามารถควบคุมความไม่ต่อเนื่องของขอบแถบแบบไม่สมมาตรระหว่างแถบการนำและค่าแถบวาเลนซ์ได้อย่างเทียม และรับรองว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบการนำจะมากกว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบวาเลนซ์มาก (ΔEc>>ΔEv) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุจำนวนมากของ InGaAs อัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนในควอนตัมเวลล์ของ InGaAs/InAlAs (a) จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และอิเล็กตรอนและโฮลจะได้รับพลังงานเพิ่มเติม เนื่องจาก ΔEc>>ΔEv จึงคาดหวังได้ว่าพลังงานที่ได้รับจากอิเล็กตรอนจะเพิ่มอัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนมากกว่าการมีส่วนสนับสนุนของพลังงานโฮลต่ออัตราการแตกตัวของโฮล (b) มาก อัตราส่วน (k) ของอัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนต่ออัตราการแตกตัวของหลุมเพิ่มขึ้น ดังนั้น จึงสามารถได้ผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เกนสูง (GBW) และประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนต่ำโดยการใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างควอนตัมเวลล์ APD ของ InGaAs/InAlAs ซึ่งสามารถเพิ่มค่า k ได้นั้น ยากที่จะนำไปใช้กับตัวรับออปติก เนื่องจากปัจจัยตัวคูณที่ส่งผลต่อการตอบสนองสูงสุดนั้นถูกจำกัดด้วยกระแสมืด ไม่ใช่สัญญาณรบกวนตัวคูณ ในโครงสร้างนี้ กระแสมืดส่วนใหญ่เกิดจากเอฟเฟกต์อุโมงค์ของชั้นหลุม InGaAs ที่มีแบนด์แก็ปแคบ ดังนั้น การนำโลหะผสมควอเทอร์นารีที่มีแบนด์แก็ปกว้าง เช่น InGaAsP หรือ InAlGaAs มาใช้แทน InGaAs ในฐานะชั้นหลุมของโครงสร้างควอนตัมเวลล์สามารถระงับกระแสมืดได้
เวลาโพสต์ : 13 พ.ย. 2566