บทคัดย่อ: โครงสร้างพื้นฐานและหลักการทำงานของเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม (เครื่องตรวจจับแสง APD) มีการแนะนำ กระบวนการวิวัฒนาการของโครงสร้างอุปกรณ์ สรุปสถานะการวิจัยในปัจจุบัน และศึกษาการพัฒนา APD ในอนาคตในทันที
1. บทนำ
เครื่องตรวจจับแสงเป็นอุปกรณ์ที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า ในกเครื่องตรวจจับแสงเซมิคอนดักเตอร์พาหะที่สร้างภาพถ่ายตื่นเต้นกับโฟตอนที่ตกกระทบจะเข้าสู่วงจรภายนอกภายใต้แรงดันไบแอสที่ใช้ และสร้างโฟโตปัจจุบันที่วัดได้ แม้ในการตอบสนองสูงสุด โฟโตไดโอด PIN สามารถสร้างคู่ของรูอิเล็กตรอนได้มากที่สุดเท่านั้น ซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่ไม่มีอัตราขยายภายใน เพื่อการตอบสนองที่ดียิ่งขึ้น สามารถใช้โฟโตไดโอดถล่ม (APD) ได้ เอฟเฟกต์การขยายของ APD บนโฟโตปัจจุบันนั้นขึ้นอยู่กับเอฟเฟกต์การชนกันของไอออไนซ์ ภายใต้เงื่อนไขบางประการ อิเล็กตรอนและรูที่ถูกเร่งจะได้รับพลังงานมากพอที่จะชนกับโครงตาข่ายเพื่อสร้างคู่อิเล็กตรอน-รูคู่ใหม่ กระบวนการนี้เป็นปฏิกิริยาลูกโซ่ ดังนั้นคู่ของรูอิเล็กตรอนคู่ที่เกิดจากการดูดกลืนแสงสามารถผลิตคู่ของรูอิเล็กตรอนจำนวนมากและก่อตัวเป็นโฟโตกระแสไฟรองขนาดใหญ่ ดังนั้น APD จึงมีการตอบสนองและอัตราขยายภายในสูง ซึ่งปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของอุปกรณ์ APD ส่วนใหญ่จะถูกใช้ในระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงระยะไกลหรือขนาดเล็กกว่า โดยมีข้อจำกัดอื่นๆ เกี่ยวกับพลังงานแสงที่ได้รับ ในปัจจุบัน ผู้เชี่ยวชาญด้านอุปกรณ์ออพติคัลจำนวนมากมีทัศนคติเชิงบวกต่อแนวโน้มของ APD และเชื่อว่าการวิจัยของ APD มีความจำเป็นในการเพิ่มขีดความสามารถในการแข่งขันระดับนานาชาติในสาขาที่เกี่ยวข้อง
2. การพัฒนาด้านเทคนิคของเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม(เครื่องตรวจจับแสง APD)
2.1 วัสดุ
(1)เครื่องตรวจจับภาพศรี
เทคโนโลยีวัสดุ Si เป็นเทคโนโลยีสำหรับผู้ใหญ่ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านไมโครอิเล็กทรอนิกส์ แต่ไม่เหมาะสำหรับการเตรียมอุปกรณ์ในช่วงความยาวคลื่น 1.31 มม. และ 1.55 มม. ซึ่งเป็นที่ยอมรับโดยทั่วไปในด้านการสื่อสารด้วยแสง
(2)เก
แม้ว่าการตอบสนองทางสเปกตรัมของ Ge APD จะเหมาะสมกับข้อกำหนดของการสูญเสียต่ำและการกระจายตัวต่ำในการส่งผ่านใยแก้วนำแสง แต่ก็มีความยากลำบากอย่างมากในกระบวนการเตรียมการ นอกจากนี้ อัตราส่วนอัตราการไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนและรูของ Ge อยู่ใกล้กับ () 1 ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากในการเตรียมอุปกรณ์ APD ประสิทธิภาพสูง
(3)In0.53Ga0.47As/อินพี
เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเลือก In0.53Ga0.47As เป็นชั้นการดูดกลืนแสงของ APD และ InP เป็นชั้นตัวคูณ ค่าการดูดกลืนแสงสูงสุดของวัสดุ In0.53Ga0.47As คือ 1.65 มม., 1.31 มม., ความยาวคลื่น 1.55 มม. มีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงประมาณ 104 ซม.-1 ซึ่งเป็นวัสดุที่ต้องการสำหรับชั้นการดูดกลืนแสงของเครื่องตรวจจับแสงในปัจจุบัน
(4)เครื่องตรวจจับแสง InGaAs/ในเครื่องตรวจจับแสง
ด้วยการเลือก InGaAsP เป็นชั้นดูดซับแสงและ InP เป็นชั้นตัวคูณ จึงสามารถเตรียม APD ที่มีความยาวคลื่นตอบสนอง 1-1.4 มม. ประสิทธิภาพควอนตัมสูง กระแสมืดต่ำ และปริมาณหิมะถล่มสูงได้ การเลือกส่วนประกอบโลหะผสมที่แตกต่างกัน ทำให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีที่สุดสำหรับความยาวคลื่นเฉพาะ
(5)InGaAs/InAlAs
In0.52Al0.48เนื่องจากวัสดุมีช่องว่างของแถบความถี่ (1.47eV) และไม่ดูดซับที่ช่วงความยาวคลื่น 1.55 มม. มีหลักฐานว่าชั้น epitaxis แบบบางของ In0.52Al0.48As สามารถรับลักษณะการรับได้ดีกว่า InP ซึ่งเป็นชั้นตัวคูณภายใต้เงื่อนไขของการฉีดอิเล็กตรอนบริสุทธิ์
(6)InGaAs/InGaAs (P) /InAlAs และ InGaAs/ใน (Al) GaAs/InAlAs
อัตราการแตกตัวเป็นไอออนของวัสดุเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพของ APD ผลการวิจัยพบว่าอัตราการแตกตัวเป็นไอออนของการชนกันของชั้นตัวคูณสามารถปรับปรุงได้โดยการแนะนำโครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ InGaAs (P) /InAlAs และ In (Al) GaAs/InAlAs ด้วยการใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ วิศวกรรมของแถบความถี่สามารถควบคุมความไม่ต่อเนื่องของขอบของแถบวาเลนซ์ที่ไม่สมมาตรระหว่างแถบการนำไฟฟ้าและค่าของแถบวาเลนซ์ได้ และทำให้แน่ใจว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบการนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่กว่าความไม่ต่อเนื่องของแถบวาเลนซ์มาก (ΔEc>>ΔEv) เมื่อเปรียบเทียบกับวัสดุเทกองของ InGaAs อัตราไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนในหลุมควอนตัม InGaAs/InAlAs (a) จะเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และอิเล็กตรอนและรูจะได้รับพลังงานเพิ่มเติม เนื่องจาก ΔEc>>ΔEv จึงสามารถคาดหวังได้ว่าพลังงานที่ได้รับจากอิเล็กตรอนจะเพิ่มอัตราการไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนมากกว่าการมีส่วนร่วมของพลังงานหลุมต่ออัตราการไอออไนเซชันของหลุม (b) อัตราส่วน (k) ของอัตราการไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนต่ออัตราการไอออไนเซชันของรูเพิ่มขึ้น ดังนั้นผลิตภัณฑ์แบนด์วิธที่ได้รับแบนด์วิธสูง (GBW) และประสิทธิภาพสัญญาณรบกวนต่ำจึงสามารถได้รับโดยการใช้โครงสร้างซูเปอร์แลตทิซ อย่างไรก็ตาม APD ที่มีโครงสร้างหลุมควอนตัม InGaAs/InAlAs ซึ่งสามารถเพิ่มค่า k นั้นเป็นเรื่องยากที่จะนำไปใช้กับเครื่องรับแบบออปติคอล เนื่องจากปัจจัยตัวคูณที่ส่งผลต่อการตอบสนองสูงสุดนั้นถูกจำกัดด้วยกระแสมืด ไม่ใช่สัญญาณรบกวนตัวคูณ ในโครงสร้างนี้ กระแสมืดส่วนใหญ่มีสาเหตุมาจากเอฟเฟกต์การขุดอุโมงค์ของชั้นหลุม InGaAs ที่มีช่องว่างแถบแคบ ดังนั้นการนำโลหะผสมควอเทอร์นารีช่องว่างแถบกว้าง เช่น InGaAsP หรือ InAlGaAs มาใช้แทน InGaAs เป็นชั้นหลุม ของโครงสร้างหลุมควอนตัมสามารถปราบปรามกระแสมืดได้
เวลาโพสต์: 13 พ.ย.-2023