โครงสร้างของเครื่องตรวจจับแสง InGaAs

โครงสร้างของเครื่องตรวจจับแสง InGaAs

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 นักวิจัยทั้งในและต่างประเทศได้ศึกษาโครงสร้างของเครื่องตรวจจับแสง InGaAs ซึ่งส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่เครื่องตรวจจับแสงโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ InGaAs (MSM-PD), เครื่องตรวจจับ PIN InGaAs (PIN-PD) และเครื่องตรวจจับภาพ Avalanche Photodetector (APD-PD) ของ InGaAs มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในกระบวนการผลิตและราคาของเครื่องตรวจจับแสง InGaAs ที่มีโครงสร้างต่างกัน และยังมีความแตกต่างอย่างมากในด้านประสิทธิภาพของอุปกรณ์อีกด้วย

InGaAs โลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะเครื่องตรวจจับแสงดังแสดงในรูปที่ (a) เป็นโครงสร้างพิเศษที่มีพื้นฐานอยู่บนทางแยกชอตกี ในปี 1992 ชิ และคณะ ใช้เทคโนโลยี epitaxy เฟสไอโลหะ-อินทรีย์ความดันต่ำ (LP-MOVPE) เพื่อสร้างชั้น epitaxy และเตรียมเครื่องตรวจจับแสง InGaAs MSM ซึ่งมีการตอบสนองสูง 0.42 A/W ที่ความยาวคลื่น 1.3 μm และกระแสมืดต่ำกว่า 5.6 pA/ μm² ที่ 1.5 V. ในปี 1996 จาง และคณะ ใช้ epitaxy ลำแสงโมเลกุลเฟสก๊าซ (GSMBE) เพื่อขยายชั้น epitaxy InAlAs-InGaAs-InP ชั้น InAlAs แสดงคุณลักษณะความต้านทานสูง และสภาวะการเติบโตได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมโดยการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ เพื่อให้แลตทิซที่ไม่ตรงกันระหว่างชั้น InGaAs และ InAlAs อยู่ในช่วง 1×10⁻³ ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมด้วยกระแสมืดที่ต่ำกว่า 0.75 pA/μm² ที่ 10 V และการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็วสูงถึง 16 ps ที่ 5 V โดยรวมแล้ว เครื่องตรวจจับแสงโครงสร้าง MSM นั้นเรียบง่ายและง่ายต่อการรวมเข้าด้วยกัน โดยแสดงกระแสมืดที่ต่ำ (pA ลำดับ) แต่อิเล็กโทรดโลหะจะลดพื้นที่การดูดกลืนแสงที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ดังนั้นการตอบสนองจึงต่ำกว่าโครงสร้างอื่น

เครื่องตรวจจับแสง PIN ของ InGaAs จะแทรกชั้นภายในระหว่างชั้นสัมผัสชนิด P และชั้นสัมผัสชนิด N ดังแสดงในรูปที่ (b) ซึ่งจะเพิ่มความกว้างของบริเวณพร่อง ซึ่งจะแผ่รังสีคู่อิเล็กตรอนของรูมากขึ้น และสร้าง กระแสไฟขนาดใหญ่ขึ้น ดังนั้นจึงมีประสิทธิภาพการนำอิเล็กตรอนที่ดีเยี่ยม ในปี 2550 A.Poloczek และคณะ ใช้ MBE เพื่อเพิ่มชั้นบัฟเฟอร์อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับปรุงความหยาบของพื้นผิว และเอาชนะความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่าง Si และ InP MOCVD ถูกใช้เพื่อผสานรวมโครงสร้าง PIN ของ InGaAs บนซับสเตรต InP และการตอบสนองของอุปกรณ์อยู่ที่ประมาณ 0.57A /W ในปี พ.ศ. 2554 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพบก (ALR) ใช้เครื่องตรวจจับแสง PIN เพื่อศึกษาเครื่องสร้างภาพ liDAR สำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง/การชน และการตรวจจับ/การระบุเป้าหมายระยะสั้นสำหรับยานพาหนะภาคพื้นดินขนาดเล็กไร้คนขับ ซึ่งบูรณาการเข้ากับชิปขยายสัญญาณไมโครเวฟราคาประหยัดที่ ปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนของเครื่องตรวจจับแสง PIN InGaAs อย่างมีนัยสำคัญ บนพื้นฐานนี้ ในปี 2012 ALR ใช้เครื่องสร้างภาพ liDAR นี้สำหรับหุ่นยนต์ โดยมีระยะการตรวจจับมากกว่า 50 ม. และความละเอียด 256 × 128

อินกาแอสเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่มเป็นเครื่องตรวจจับแสงชนิดหนึ่งที่มีอัตราขยาย โครงสร้างดังแสดงในรูปที่ (c) คู่หลุมอิเล็กตรอนจะได้รับพลังงานเพียงพอภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในบริเวณที่เพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า เพื่อชนกับอะตอม สร้างคู่หลุมอิเล็กตรอนใหม่ ก่อให้เกิดปรากฏการณ์หิมะถล่ม และเพิ่มจำนวนพาหะที่ไม่สมดุลในวัสดุ . ในปี 2013 George M ใช้ MBE เพื่อสร้างโลหะผสม InGaAs และ InAlAs ที่จับคู่ขัดแตะบนซับสเตรต InP โดยใช้การเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของโลหะผสม ความหนาของชั้น epitaxis และการเติมพลังงานตัวพาแบบมอดูเลต เพื่อเพิ่มอิออนไนเซชันด้วยไฟฟ้าช็อตสูงสุด ในขณะที่ลดไอออนไนซ์ของรูให้เหลือน้อยที่สุด เมื่อได้รับสัญญาณเอาท์พุตที่เท่ากัน APD จะแสดงสัญญาณรบกวนที่ต่ำกว่าและกระแสมืดที่ต่ำกว่า ในปี 2559 ซัน เจียนเฟิง และคณะ ได้สร้างชุดแพลตฟอร์มทดลองถ่ายภาพด้วยเลเซอร์ 1570 นาโนเมตรโดยใช้เครื่องตรวจจับแสงหิมะถล่ม InGaAs วงจรภายในของเครื่องตรวจจับแสง APDรับสัญญาณสะท้อนและส่งสัญญาณดิจิตอลออกโดยตรง ทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดมีขนาดกะทัดรัด ผลการทดลองถูกแสดงไว้ในรูปที่ (ง) และ (จ) รูปที่ (d) คือภาพถ่ายทางกายภาพของเป้าหมายการถ่ายภาพ และรูปที่ (e) เป็นภาพระยะทางสามมิติ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าพื้นที่หน้าต่างของพื้นที่ c มีระยะความลึกที่แน่นอนกับพื้นที่ A และ b แพลตฟอร์มนี้รับรู้ความกว้างของพัลส์น้อยกว่า 10 ns พลังงานพัลส์เดี่ยว (1 ~ 3) mJ ปรับได้ มุมรับเลนส์ 2° ความถี่การทำซ้ำ 1 kHz อัตราหน้าที่ของเครื่องตรวจจับประมาณ 60% ต้องขอบคุณโฟโตปัจจุบันที่เพิ่มขึ้นภายในของ APD การตอบสนองที่รวดเร็ว ขนาดกะทัดรัด ความทนทาน และต้นทุนต่ำ เครื่องตรวจจับแสง APD จึงมีอัตราการตรวจจับที่สูงกว่าเครื่องตรวจจับแสง PIN ดังนั้น liDAR กระแสหลักในปัจจุบันจึงถูกครอบงำโดยเครื่องตรวจจับแสงหิมะถล่มเป็นหลัก

โดยรวมแล้ว ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการเตรียม InGaAs ทั้งในและต่างประเทศ เราจึงสามารถใช้ MBE, MOCVD, LPE และเทคโนโลยีอื่น ๆ ได้อย่างเชี่ยวชาญเพื่อเตรียมชั้น epitaxial InGaAs คุณภาพสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่บนพื้นผิว InP เครื่องตรวจจับแสง InGaAs มีกระแสมืดต่ำและการตอบสนองสูง กระแสมืดต่ำสุดต่ำกว่า 0.75 pA/μm² การตอบสนองสูงสุดสูงถึง 0.57 A/W และมีการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว (ลำดับ ps) การพัฒนาในอนาคตของเครื่องตรวจจับแสง InGaAs จะมุ่งเน้นไปที่สองด้านต่อไปนี้: (1) ชั้น epitaxis ของ InGaAs ถูกปลูกโดยตรงบนพื้นผิว Si ปัจจุบัน อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ในตลาดมีพื้นฐานจาก Si และการพัฒนาแบบบูรณาการที่ตามมาของ InGaAs และ Si ถือเป็นแนวโน้มทั่วไป การแก้ปัญหา เช่น แลตทิซไม่ตรงกัน และความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน เป็นสิ่งสำคัญสำหรับการศึกษา InGaAs/Si (2) เทคโนโลยีความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่ และความยาวคลื่นที่ขยายออกไป (2.0 ~ 2.5) μm เป็นทิศทางการวิจัยในอนาคต ด้วยการเพิ่มขึ้นของส่วนประกอบ In ความไม่ตรงกันของแลตทิซระหว่างซับสเตรต InP และชั้น epitaxis ของ InGaAs จะทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนและข้อบกพร่องที่รุนแรงยิ่งขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์กระบวนการของอุปกรณ์ให้เหมาะสม ลดข้อบกพร่องของแลตทิซ และลดกระแสมืดของอุปกรณ์