บทคัดย่อ: โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับภาพ APD) จะถูกนำเสนอ วิเคราะห์กระบวนการวิวัฒนาการของโครงสร้างอุปกรณ์ สรุปสถานะการวิจัยปัจจุบัน และศึกษาการพัฒนา APD ในอนาคต
1. บทนำ
เครื่องตรวจจับแสงเป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในเครื่องตรวจจับแสงเซมิคอนดักเตอร์ตัวพาที่เกิดจากแสงที่ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่ตกกระทบจะเข้าสู่วงจรภายนอกภายใต้แรงดันไบอัสที่ป้อนเข้าและสร้างโฟโตเคอร์เรนต์ที่วัดได้ แม้ในการตอบสนองสูงสุด โฟโตไดโอด PIN สามารถสร้างคู่อิเล็กตรอนโฮลได้มากที่สุดเพียงคู่เดียว ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีอัตราขยายภายใน หากต้องการการตอบสนองที่ดีขึ้น สามารถใช้โฟโตไดโอด Avalanche (APD) ได้ ผลการขยายของ APD ต่อโฟโตเคอร์เรนต์ขึ้นอยู่กับผลกระทบจากการชนกันของไอออนไนเซชัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อิเล็กตรอนและโฮลที่ถูกเร่งจะได้รับพลังงานมากพอที่จะชนกับโครงตาข่ายเพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอนโฮลคู่ใหม่ กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ดังนั้นคู่อิเล็กตรอนโฮลที่เกิดจากการดูดกลืนแสงจึงสามารถสร้างคู่อิเล็กตรอนโฮลจำนวนมากและก่อตัวเป็นโฟโตเคอร์เรนต์ทุติยภูมิขนาดใหญ่ ดังนั้น APD จึงมีการตอบสนองและอัตราขยายภายในสูง ซึ่งช่วยเพิ่มอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์ APD ส่วนใหญ่จะใช้ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงระยะไกลหรือระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงขนาดเล็กที่มีข้อจำกัดอื่นๆ เกี่ยวกับกำลังแสงที่รับได้ ในปัจจุบัน ผู้เชี่ยวชาญด้านอุปกรณ์ออปติกจำนวนมากมีความหวังเป็นอย่างยิ่งเกี่ยวกับโอกาสของ APD และเชื่อว่าการวิจัย APD มีความจำเป็นต่อการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันในระดับนานาชาติของสาขาที่เกี่ยวข้อง
2. การพัฒนาด้านเทคนิคของเครื่องตรวจจับหิมะถล่ม(เครื่องตรวจจับภาพ APD)
2.1 วัสดุ
(1)เครื่องตรวจจับภาพ Si
เทคโนโลยีวัสดุ Si เป็นเทคโนโลยีที่ได้รับการพัฒนาแล้วซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในสาขาไมโครอิเล็กทรอนิกส์ แต่ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมอุปกรณ์ในช่วงความยาวคลื่น 1.31 มม. และ 1.55 มม. ที่ยอมรับกันโดยทั่วไปในสาขาการสื่อสารด้วยแสง
(2)เก
แม้ว่าการตอบสนองทางสเปกตรัมของ Ge APD จะเหมาะสมกับความต้องการการสูญเสียและการกระจายตัวต่ำในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง แต่กระบวนการเตรียมการยังมีความยากลำบากอย่างมาก นอกจากนี้ อัตราส่วนอัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนและโฮลของ Ge ยังใกล้เคียงกับ (≥ 1) ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะเตรียมอุปกรณ์ APD ประสิทธิภาพสูง
(3)In0.53Ga0.47As/InP
เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเลือก In0.53Ga0.47As เป็นชั้นดูดกลืนแสงของ APD และ InP เป็นชั้นทวีคูณ ค่าพีคดูดกลืนของวัสดุ In0.53Ga0.47As คือ 1.65 มม., 1.31 มม. และ 1.55 มม. มีค่าสัมประสิทธิ์ดูดกลืนแสงสูงประมาณ 104 ซม.-1 ซึ่งเป็นวัสดุที่เหมาะที่สุดสำหรับชั้นดูดกลืนแสงของเครื่องตรวจจับแสงในปัจจุบัน
(4)เครื่องตรวจจับภาพ InGaAs/ในเครื่องตรวจจับภาพ
การเลือก InGaAsP เป็นชั้นดูดซับแสงและ InP เป็นชั้นทวีคูณ ทำให้สามารถเตรียม APD ที่มีความยาวคลื่นตอบสนอง 1-1.4 มม. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระแสมืดต่ำ และค่าเกนหิมะถล่มสูงได้ การเลือกส่วนประกอบโลหะผสมที่แตกต่างกันจะทำให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับความยาวคลื่นเฉพาะ
(5)InGaAs/InAlAs
วัสดุ In0.52Al0.48As มีแบนด์แก๊ป (1.47eV) และไม่ดูดซับที่ช่วงความยาวคลื่น 1.55 มม. มีหลักฐานว่าชั้นเอพิแทกเซียล In0.52Al0.48As บางๆ สามารถให้คุณสมบัติเกนที่ดีกว่า InP ในฐานะชั้นมัลติพลิเคเตอร์ภายใต้สภาวะการฉีดอิเล็กตรอนบริสุทธิ์
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs และ InGaAs/In (Al) GaAs/InAlAs
อัตราการแตกตัวของวัสดุเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ APD ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าอัตราการแตกตัวของวัสดุจากการชนกันของชั้นตัวคูณสามารถปรับปรุงได้โดยการนำโครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs มาใช้ ด้วยการใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ วิศวกรรมแถบสามารถควบคุมความไม่ต่อเนื่องของขอบแถบแบบไม่สมมาตรระหว่างแถบการนำและค่าแถบวาเลนซ์ได้ และทำให้มั่นใจได้ว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบการนำมีค่ามากกว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบวาเลนซ์มาก (ΔEc>>ΔEv) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุจำนวนมากของ InGaAs อัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนในควอนตัมเวลล์ของ InGaAs/InAlAs (a) เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และอิเล็กตรอนและโฮลได้รับพลังงานเพิ่มขึ้น เนื่องจาก ΔEc>>ΔEv จึงคาดการณ์ได้ว่าพลังงานที่ได้รับจากอิเล็กตรอนจะเพิ่มอัตราการแตกตัวของอิเล็กตรอนมากกว่าพลังงานของโฮลต่ออัตราการแตกตัวของโฮล (b) มาก อัตราส่วน (k) ของอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนต่ออัตราการแตกตัวเป็นไอออนของโฮลเพิ่มขึ้น ดังนั้น จึงสามารถได้ผลิตภัณฑ์แบนด์วิดท์เกนสูง (GBW) และประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนต่ำโดยการใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ อย่างไรก็ตาม โครงสร้างควอนตัมเวลล์แบบ APD ของ InGaAs/InAlAs ซึ่งสามารถเพิ่มค่า k ได้นั้น ยากที่จะนำไปใช้กับตัวรับแสง เนื่องจากตัวคูณที่มีผลต่อการตอบสนองสูงสุดถูกจำกัดด้วยกระแสมืด ไม่ใช่สัญญาณรบกวนแบบตัวคูณ ในโครงสร้างนี้ กระแสมืดส่วนใหญ่เกิดจากปรากฏการณ์อุโมงค์ของชั้นหลุม InGaAs ที่มีช่องว่างแบนด์แคบ ดังนั้น การใช้โลหะผสมควอเทอร์นารีที่มีช่องว่างแบนด์กว้าง เช่น InGaAsP หรือ InAlGaAs แทน InGaAs ในฐานะชั้นหลุมของโครงสร้างควอนตัมเวลล์ สามารถยับยั้งกระแสมืดได้
เวลาโพสต์: 13 พ.ย. 2566