โครงสร้างของเครื่องตรวจจับภาพ InGaAs
นับตั้งแต่ช่วงทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา นักวิจัยทั้งในและต่างประเทศได้ศึกษาโครงสร้างของเครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs ซึ่งแบ่งออกเป็นสามประเภทหลักๆ ได้แก่ เครื่องตรวจจับโลหะโลหะ-สารกึ่งตัวนำ-โลหะ InGaAs (MSM-PD), เครื่องตรวจจับโลหะ Pin (PIN-PD) และเครื่องตรวจจับโลหะหิมะถล่ม InGaAs (APD-PD) อย่างไรก็ตาม เครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs ที่มีโครงสร้างต่างกันนั้น มีความแตกต่างอย่างมากในกระบวนการผลิตและต้นทุนการผลิต และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ก็แตกต่างกันอย่างมากเช่นกัน
โลหะ-สารกึ่งตัวนำ-โลหะ InGaAsเครื่องตรวจจับภาพดังแสดงในรูป (a) เป็นโครงสร้างพิเศษที่ยึดตามรอยต่อชอตต์กี ในปี 1992 Shi และคณะ ได้ใช้เทคโนโลยีอิพิแทกซีเฟสไอโลหะ-อินทรีย์ความดันต่ำ (LP-MOVPE) เพื่อปลูกชั้นอิพิแทกซีและเตรียมเครื่องตรวจจับแสง InGaAs MSM ซึ่งมี A ตอบสนองสูงถึง 0.42 A/W ที่ความยาวคลื่น 1.3 μm และกระแสมืดต่ำกว่า 5.6 pA/μm² ที่ 1.5 V ในปี 1996 Zhang และคณะ ได้ใช้อิพิแทกซีลำแสงโมเลกุลเฟสก๊าซ (GSMBE) เพื่อปลูกชั้นอิพิแทกซี InAlAs-InGaAs-InP ชั้น InAlAs แสดงคุณสมบัติความต้านทานสูง และสภาวะการเจริญเติบโตได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทำให้ความไม่ตรงกันของแลตทิซระหว่างชั้น InGaAs และ InAlAs อยู่ในช่วง 1×10⁻³ ส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดด้วยกระแสมืดต่ำกว่า 0.75 pA/μm² ที่ 10 V และการตอบสนองชั่วขณะรวดเร็วถึง 16 ps ที่ 5 V โดยรวมแล้ว เครื่องตรวจจับภาพโครงสร้าง MSM นั้นเรียบง่ายและผสานรวมได้ง่าย โดยแสดงกระแสมืดต่ำ (ลำดับ pA) แต่ขั้วไฟฟ้าโลหะจะลดพื้นที่การดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ดังนั้น การตอบสนองจึงต่ำกว่าโครงสร้างอื่นๆ
เครื่องตรวจจับโฟโตเดเทกเตอร์ InGaAs PIN จะแทรกชั้นภายในระหว่างชั้นสัมผัสชนิด P และชั้นสัมผัสชนิด N ดังแสดงในรูปที่ (b) ซึ่งจะเพิ่มความกว้างของบริเวณ depletion จึงแผ่คู่อิเล็กตรอนโฮลได้มากขึ้นและสร้างโฟโตเคอร์เรนต์ที่ใหญ่ขึ้น ทำให้มีประสิทธิภาพการนำอิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยม ในปี พ.ศ. 2550 A.Poloczek และคณะ ได้ใช้ MBE เพื่อสร้างชั้นบัฟเฟอร์อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับปรุงความขรุขระของพื้นผิวและแก้ไขความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่าง Si และ InP MOCVD ถูกนำมาใช้เพื่อผสานโครงสร้าง InGaAs PIN ลงบนวัสดุรองรับ InP และการตอบสนองของอุปกรณ์อยู่ที่ประมาณ 0.57A/W ในปี พ.ศ. 2554 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบก (ALR) ได้ใช้เครื่องตรวจจับภาพแบบ PIN เพื่อศึกษาเครื่องสร้างภาพ liDAR สำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง/การชน และการตรวจจับ/ระบุเป้าหมายระยะใกล้สำหรับยานพาหนะภาคพื้นดินไร้คนขับขนาดเล็ก ซึ่งผสานรวมเข้ากับชิปขยายสัญญาณไมโครเวฟราคาประหยัดที่ช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับภาพแบบ PIN ของ InGaAs ได้อย่างมีนัยสำคัญ ในปี พ.ศ. 2555 ALR ได้ใช้เครื่องสร้างภาพ liDAR นี้สำหรับหุ่นยนต์ โดยมีระยะการตรวจจับมากกว่า 50 เมตร และความละเอียด 256 × 128
InGaAsเครื่องตรวจจับหิมะถล่มเป็นเครื่องตรวจจับแสงชนิดหนึ่งที่มีอัตราขยาย ซึ่งโครงสร้างแสดงในรูปที่ (c) คู่อิเล็กตรอน-โฮลจะได้รับพลังงานเพียงพอภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในบริเวณทวีคูณ เพื่อที่จะชนกับอะตอม สร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลใหม่ ก่อให้เกิดปรากฏการณ์หิมะถล่ม และเพิ่มจำนวนตัวพาที่ไม่สมดุลในวัสดุ ในปี 2013 จอร์จ เอ็ม ได้ใช้ MBE เพื่อปลูกโลหะผสม InGaAs และ InAlAs ที่จับคู่โครงตาข่ายบนวัสดุรองรับ InP โดยใช้การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของโลหะผสม ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล และการเจือปนพลังงานตัวพาที่ถูกปรับ เพื่อเพิ่มการแตกตัวของไอออนแบบช็อตไฟฟ้าให้สูงสุดในขณะที่ลดการแตกตัวของไอออนแบบโฮลให้น้อยที่สุด ที่อัตราขยายสัญญาณเอาต์พุตที่เทียบเท่า APD แสดงสัญญาณรบกวนที่ต่ำลงและกระแสมืดที่ต่ำลง ในปี 2016 ซุน เจียนเฟิง และคณะ ได้สร้างชุดแพลตฟอร์มทดลองการถ่ายภาพด้วยเลเซอร์แบบแอคทีฟขนาด 1570 นาโนเมตร โดยอาศัยเครื่องตรวจจับแสงหิมะถล่ม InGaAs วงจรภายในของเครื่องตรวจจับภาพ APDรับเสียงสะท้อนและส่งสัญญาณดิจิทัลโดยตรง ทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดมีขนาดกะทัดรัด ผลการทดลองแสดงในรูปที่ (d) และ (e) รูปที่ (d) เป็นภาพถ่ายทางกายภาพของเป้าหมายการถ่ายภาพ และรูปที่ (e) เป็นภาพระยะทางสามมิติ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าพื้นที่หน้าต่างของพื้นที่ c มีระยะห่างระหว่างพื้นที่ A และ b ที่แน่นอน แพลตฟอร์มนี้รับความกว้างของพัลส์น้อยกว่า 10 นาโนวินาที ปรับพลังงานพัลส์เดี่ยว (1 ~ 3) มิลลิจูล มุมรับของเลนส์ 2° ความถี่การทำซ้ำ 1 กิโลเฮิรตซ์ อัตราการทำงานของเครื่องตรวจจับประมาณ 60% ด้วยอัตราขยายกระแสไฟฟ้าภายในของ APD การตอบสนองที่รวดเร็ว ขนาดกะทัดรัด ความทนทาน และต้นทุนต่ำ เครื่องตรวจจับแสงของ APD จึงมีอัตราการตรวจจับสูงกว่าเครื่องตรวจจับ PIN หลายเท่า ดังนั้น liDAR ที่นิยมใช้ในปัจจุบันจึงถูกครอบงำโดยเครื่องตรวจจับหิมะถล่มเป็นหลัก
โดยรวมแล้ว ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการเตรียม InGaAs ทั้งในและต่างประเทศ เราจึงสามารถใช้ MBE, MOCVD, LPE และเทคโนโลยีอื่นๆ ได้อย่างเชี่ยวชาญ เพื่อเตรียมชั้นอิพิแทกเซียล InGaAs คุณภาพสูงสำหรับพื้นที่ขนาดใหญ่บนวัสดุรองรับ InP ตัวตรวจจับแสง InGaAs แสดงกระแสมืดต่ำและการตอบสนองสูง โดยกระแสมืดต่ำสุดต่ำกว่า 0.75 pA/μm² การตอบสนองสูงสุดอยู่ที่ 0.57 A/W และมีการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว (ลำดับ ps) การพัฒนาตัวตรวจจับแสง InGaAs ในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่สองด้านต่อไปนี้: (1) ชั้นอิพิแทกเซียล InGaAs ปลูกโดยตรงบนวัสดุรองรับ Si ปัจจุบัน อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ในท้องตลาดใช้ Si เป็นฐาน และการพัฒนาแบบบูรณาการของ InGaAs และ Si ที่เป็นฐานเป็นฐานเป็นแนวโน้มทั่วไป การแก้ปัญหาต่างๆ เช่น ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายและความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการศึกษา InGaAs/Si (2) เทคโนโลยีความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรได้รับการพัฒนาจนสมบูรณ์แล้ว และความยาวคลื่นที่ขยาย (2.0 ~ 2.5) ไมโครเมตรคือทิศทางการวิจัยในอนาคต ด้วยการเพิ่มขึ้นของส่วนประกอบ In ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่างสารตั้งต้น InP และชั้นอิพิแทกเซียล InGaAs จะนำไปสู่ความคลาดเคลื่อนและข้อบกพร่องที่รุนแรงมากขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์กระบวนการของอุปกรณ์ให้เหมาะสม ลดข้อบกพร่องของโครงตาข่าย และลดกระแสมืดของอุปกรณ์
เวลาโพสต์: 6 พฤษภาคม 2567