โครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs
นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา นักวิจัยทั้งในและต่างประเทศได้ศึกษาโครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs ซึ่งแบ่งออกเป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ โฟโตดีเทคเตอร์โลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ InGaAs (MSM-PD), โฟโตดีเทคเตอร์ PIN InGaAs (PIN-PD) และโฟโตดีเทคเตอร์แบบ Avalanche InGaAs (APD-PD) กระบวนการผลิตและต้นทุนของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs ที่มีโครงสร้างแตกต่างกันนั้นมีความแตกต่างกันอย่างมาก และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ก็แตกต่างกันอย่างมากเช่นกัน
โครงสร้างโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ InGaAsโฟโตดีเทคเตอร์โครงสร้างที่แสดงในรูป (a) เป็นโครงสร้างพิเศษที่อิงตามรอยต่อชอตต์กี (Schottky junction) ในปี 1992 Shi และคณะได้ใช้เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบไอระเหยโลหะอินทรีย์ความดันต่ำ (LP-MOVPE) เพื่อปลูกชั้นผลึกและเตรียมโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs MSM ซึ่งมีความไวสูงถึง 0.42 A/W ที่ความยาวคลื่น 1.3 μm และกระแสไฟฟ้ามืดต่ำกว่า 5.6 pA/μm² ที่ 1.5 V ในปี 1996 Zhang และคณะได้ใช้การปลูกผลึกแบบลำแสงโมเลกุลเฟสแก๊ส (GSMBE) เพื่อปลูกชั้นผลึก InAlAs-InGaAs-InP ชั้น InAlAs แสดงคุณลักษณะความต้านทานสูง และเงื่อนไขการเติบโตได้รับการปรับให้เหมาะสมโดยการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ทำให้ความไม่ตรงกันของแลตติสระหว่างชั้น InGaAs และ InAlAs อยู่ในช่วง 1×10⁻³ ผลลัพธ์ที่ได้คือประสิทธิภาพของอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุด โดยมีกระแสไฟฟ้ามืดต่ำกว่า 0.75 pA/μm² ที่ 10 V และการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วถึง 16 ps ที่ 5 V โดยรวมแล้ว โฟโตดีเทคเตอร์โครงสร้าง MSM นั้นเรียบง่ายและง่ายต่อการรวมเข้าด้วยกัน แสดงให้เห็นกระแสไฟฟ้ามืดต่ำ (ระดับ pA) แต่ขั้วไฟฟ้าโลหะจะลดพื้นที่การดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ดังนั้นการตอบสนองจึงต่ำกว่าโครงสร้างอื่นๆ
โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs PIN แทรกชั้นอินทรินซิกไว้ระหว่างชั้นสัมผัสชนิด P และชั้นสัมผัสชนิด N ดังแสดงในรูป (b) ซึ่งจะเพิ่มความกว้างของบริเวณการพร่อง ทำให้เกิดการแผ่รังสีคู่อิเล็กตรอน-โฮลมากขึ้นและสร้างกระแสโฟโตอิเล็กตรอนที่ใหญ่ขึ้น ดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าของอิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยม ในปี 2550 A.Poloczek และคณะ ได้ใช้ MBE ในการปลูกชั้นบัฟเฟอร์ที่อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับปรุงความเรียบของพื้นผิวและเอาชนะความไม่เข้ากันของโครงสร้างแลตติสระหว่าง Si และ InP มีการใช้ MOCVD ในการรวมโครงสร้าง InGaAs PIN บนพื้นผิว InP และความไวในการตอบสนองของอุปกรณ์อยู่ที่ประมาณ 0.57 A/W ในปี 2011 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบก (ALR) ได้ใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบ PIN ในการศึกษาเครื่องสร้างภาพ LiDAR สำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง/การชน และการตรวจจับ/ระบุเป้าหมายระยะใกล้สำหรับยานพาหนะภาคพื้นดินไร้คนขับขนาดเล็ก โดยบูรณาการเข้ากับชิปขยายสัญญาณไมโครเวฟราคาประหยัด ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์แบบ InGaAs PIN ได้อย่างมาก บนพื้นฐานนี้ ในปี 2012 ALR ได้นำเครื่องสร้างภาพ LiDAR นี้ไปใช้กับหุ่นยนต์ โดยมีระยะการตรวจจับมากกว่า 50 เมตร และความละเอียด 256 × 128 พิกเซล
อินแกลเลียมแอสเครื่องตรวจจับแสงถล่มเป็นโฟโตดีเทคเตอร์ชนิดหนึ่งที่มีการขยายสัญญาณ โดยโครงสร้างแสดงในรูป (c) คู่ของอิเล็กตรอน-โฮลจะได้รับพลังงานเพียงพอภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในบริเวณการขยายสัญญาณเป็นสองเท่า เพื่อชนกับอะตอม สร้างคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลใหม่ ก่อให้เกิดปรากฏการณ์แบบลูกโซ่ และเพิ่มจำนวนตัวนำที่ไม่สมดุลในวัสดุ ในปี 2013 George M ใช้ MBE ในการปลูกโลหะผสม InGaAs และ InAlAs ที่มีโครงสร้างผลึกเข้ากันได้บนพื้นผิว InP โดยใช้การเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของโลหะผสม ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล และการเจือปนเพื่อปรับพลังงานของตัวนำ เพื่อเพิ่มการแตกตัวเป็นไอออนด้วยไฟฟ้าให้สูงสุด ในขณะที่ลดการแตกตัวเป็นไอออนของโฮลให้น้อยที่สุด ที่อัตราการขยายสัญญาณเอาต์พุตที่เทียบเท่ากัน APD แสดงให้เห็นถึงสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่าและกระแสไฟฟ้ามืดที่ต่ำกว่า ในปี 2016 Sun Jianfeng และคณะ ได้สร้างแพลตฟอร์มการทดลองการถ่ายภาพแบบแอคทีฟด้วยเลเซอร์ 1570 นาโนเมตร โดยใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบลูกโซ่ InGaAs วงจรภายในของโฟโตดีเทคเตอร์ APDรับสัญญาณสะท้อนและส่งสัญญาณดิจิทัลออกโดยตรง ทำให้ตัวอุปกรณ์ทั้งหมดมีขนาดกะทัดรัด ผลการทดลองแสดงในรูปที่ (d) และ (e) รูปที่ (d) เป็นภาพถ่ายจริงของเป้าหมายการถ่ายภาพ และรูปที่ (e) เป็นภาพระยะทางสามมิติ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าพื้นที่หน้าต่างของพื้นที่ c มีระยะความลึกที่แน่นอนกับพื้นที่ A และ b แพลตฟอร์มนี้สามารถสร้างความกว้างของพัลส์น้อยกว่า 10 ns พลังงานพัลส์เดี่ยว (1 ~ 3) mJ ที่ปรับได้ มุมรับแสงของเลนส์ 2° ความถี่ในการทำซ้ำ 1 kHz อัตราส่วนการทำงานของตัวตรวจจับประมาณ 60% ด้วยการเพิ่มกระแสไฟฟ้าภายในของ APD การตอบสนองที่รวดเร็ว ขนาดกะทัดรัด ความทนทาน และต้นทุนต่ำ ทำให้โฟโตดีเทคเตอร์ APD มีอัตราการตรวจจับสูงกว่าโฟโตดีเทคเตอร์ PIN หลายเท่า ดังนั้น LiDAR กระแสหลักในปัจจุบันจึงส่วนใหญ่ใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบ Avalanche
โดยรวมแล้ว ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการเตรียม InGaAs ทั้งในและต่างประเทศ เราสามารถใช้เทคโนโลยี MBE, MOCVD, LPE และเทคโนโลยีอื่นๆ ในการเตรียมชั้นอิพิแท็กเซียล InGaAs คุณภาพสูงขนาดใหญ่บนพื้นผิว InP ได้อย่างเชี่ยวชาญ โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs มีกระแสไฟฟ้ามืดต่ำและมีความไวสูง โดยกระแสไฟฟ้ามืดต่ำสุดต่ำกว่า 0.75 pA/μm² ความไวสูงสุดถึง 0.57 A/W และมีการตอบสนองแบบชั่วคราวที่รวดเร็ว (ระดับพิโควินาที) การพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs ในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่สองด้านต่อไปนี้: (1) การปลูกชั้นอิพิแท็กเซียล InGaAs โดยตรงบนพื้นผิว Si ปัจจุบัน อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ในตลาดใช้ Si เป็นพื้นฐาน และการพัฒนาแบบบูรณาการของ InGaAs และ Si เป็นแนวโน้มทั่วไป การแก้ปัญหาต่างๆ เช่น ความไม่ตรงกันของแลตติสและความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการศึกษา InGaAs/Si (2) เทคโนโลยีความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรมีความสมบูรณ์แล้ว และความยาวคลื่นที่ขยายออกไป (2.0 ~ 2.5) ไมโครเมตรเป็นทิศทางการวิจัยในอนาคต ด้วยการเพิ่มส่วนประกอบของอินเดียม ความไม่ตรงกันของโครงสร้างแลตติสระหว่างพื้นผิว InP และชั้นเอพิแทกเซียล InGaAs จะนำไปสู่การเคลื่อนตัวและข้อบกพร่องที่รุนแรงมากขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์กระบวนการของอุปกรณ์ให้เหมาะสม ลดข้อบกพร่องของโครงสร้างแลตติส และลดกระแสไฟฟ้ามืดของอุปกรณ์
วันที่เผยแพร่: 6 พฤษภาคม 2567