โครงสร้างของเครื่องตรวจจับโฟโต InGaAs

โครงสร้างของเครื่องตรวจจับโฟโต InGaAs

นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 นักวิจัยในประเทศและต่างประเทศได้ศึกษาโครงสร้างของเครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs ซึ่งแบ่งออกเป็น 3 ประเภทหลัก ได้แก่ เครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs แบบโลหะ-เซมิคอนดักเตอร์-โลหะ (MSM-PD), เครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs PIN (PIN-PD) และเครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs แบบหิมะถล่ม (APD-PD) เครื่องตรวจจับโลหะ InGaAs ที่มีโครงสร้างต่างกันจะมีความแตกต่างกันอย่างมากในกระบวนการผลิตและต้นทุน และยังมีความแตกต่างอย่างมากในประสิทธิภาพของอุปกรณ์อีกด้วย

โลหะ-สารกึ่งตัวนำ-โลหะ InGaAsเครื่องตรวจจับภาพ, ดังแสดงในรูป (a) เป็นโครงสร้างพิเศษที่อิงตามรอยต่อของ Schottky ในปี 1992 Shi et al. ได้ใช้เทคโนโลยีเอพิแทกซีเฟสไออินทรีย์โลหะความดันต่ำ (LP-MOVPE) เพื่อปลูกชั้นเอพิแทกซีและเตรียมโฟโตดีเทกเตอร์ MSM ของ InGaAs ซึ่งมี A ตอบสนองสูง 0.42 A/W ที่ความยาวคลื่น 1.3 μm และกระแสมืดต่ำกว่า 5.6 pA/ μm² ที่ 1.5 V ในปี 1996 Zhang et al. ได้ใช้เอพิแทกซีลำแสงโมเลกุลในเฟสก๊าซ (GSMBE) เพื่อปลูกชั้นเอพิแทกซี InAlAs-InGaAs-InP ชั้น InAlAs แสดงลักษณะต้านทานสูง และปรับสภาพการเจริญเติบโตให้เหมาะสมด้วยการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ดังนั้นความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่างชั้น InGaAs และ InAlAs จึงอยู่ในช่วง 1×10⁻³ ส่งผลให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดด้วยกระแสไฟมืดที่ต่ำกว่า 0.75 pA/μm² ที่ 10 V และการตอบสนองชั่วขณะที่รวดเร็วถึง 16 ps ที่ 5 V โดยรวมแล้ว เครื่องตรวจจับแสงโครงสร้าง MSM นั้นเรียบง่ายและผสานรวมได้ง่าย โดยแสดงกระแสไฟมืดต่ำ (ลำดับ pA) แต่โลหะอิเล็กโทรดจะลดพื้นที่การดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ดังนั้นจึงมีการตอบสนองต่ำกว่าโครงสร้างอื่นๆ

เครื่องตรวจจับภาพ PIN ของ InGaAs จะแทรกชั้นภายในระหว่างชั้นสัมผัสชนิด P และชั้นสัมผัสชนิด N ตามที่แสดงในรูป (b) ซึ่งจะเพิ่มความกว้างของบริเวณการพร่อง จึงแผ่คู่อิเล็กตรอน-โฮลได้มากขึ้นและสร้างโฟโตเคอร์เรนต์ที่ใหญ่ขึ้น จึงมีประสิทธิภาพการนำอิเล็กตรอนที่ยอดเยี่ยม ในปี 2007 A.Poloczek และคณะได้ใช้ MBE เพื่อสร้างชั้นบัฟเฟอร์อุณหภูมิต่ำเพื่อปรับปรุงความหยาบของพื้นผิวและเอาชนะความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่าง Si และ InP MOCVD ถูกใช้เพื่อผสานโครงสร้าง PIN ของ InGaAs เข้ากับพื้นผิว InP และอุปกรณ์มีการตอบสนองประมาณ 0.57A /W ในปี 2011 ห้องปฏิบัติการวิจัยกองทัพ (ALR) ได้ใช้เครื่องตรวจจับภาพ PIN เพื่อศึกษาเครื่องถ่ายภาพ liDAR สำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง/การชน และการตรวจจับ/ระบุเป้าหมายระยะใกล้สำหรับยานพาหนะภาคพื้นดินไร้คนขับขนาดเล็ก ซึ่งผสานเข้ากับชิปขยายสัญญาณไมโครเวฟราคาประหยัดที่ช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของเครื่องตรวจจับภาพ PIN ของ InGaAs ได้อย่างมีนัยสำคัญ ในปี 2012 ALR ได้ใช้เครื่องถ่ายภาพ liDAR นี้สำหรับหุ่นยนต์ โดยมีระยะการตรวจจับมากกว่า 50 ม. และความละเอียด 256 × 128

อินกาซัสเครื่องตรวจจับหิมะถล่มเป็นเครื่องตรวจจับแสงชนิดหนึ่งที่มีอัตราขยาย ซึ่งโครงสร้างแสดงไว้ในรูป (c) คู่อิเล็กตรอน-โฮลได้รับพลังงานเพียงพอภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในบริเวณที่เพิ่มขึ้นสองเท่า เพื่อที่จะชนกับอะตอม สร้างคู่อิเล็กตรอน-โฮลใหม่ สร้างเอฟเฟกต์หิมะถล่ม และเพิ่มจำนวนตัวพาที่ไม่สมดุลในวัสดุ ในปี 2013 จอร์จ เอ็ม ใช้ MBE เพื่อปลูกโลหะผสม InGaAs และ InAlAs ที่จับคู่โครงตาข่ายบนพื้นผิว InP โดยใช้การเปลี่ยนแปลงในองค์ประกอบของโลหะผสม ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล และการเจือปนสารเข้ากับพลังงานตัวพาที่ปรับเปลี่ยนเพื่อเพิ่มการแตกตัวของไอออนไฟฟ้าช็อตสูงสุดในขณะที่ลดการเกิดการแตกตัวของรูให้น้อยที่สุด ที่อัตราขยายสัญญาณเอาต์พุตที่เทียบเท่า APD แสดงสัญญาณรบกวนที่ต่ำลงและกระแสมืดที่ต่ำลง ในปี 2016 ซุน เจียนเฟิงและคณะได้สร้างแพลตฟอร์มทดลองการถ่ายภาพแอคทีฟเลเซอร์ 1570 นาโนเมตรโดยอาศัยเครื่องตรวจจับแสงหิมะถล่ม InGaAs วงจรภายในของเครื่องตรวจจับภาพ APDรับสัญญาณสะท้อนและส่งสัญญาณดิจิตอลโดยตรง ทำให้อุปกรณ์ทั้งหมดมีขนาดกะทัดรัด ผลการทดลองแสดงในรูปที่ (d) และ (e) รูปที่ (d) เป็นภาพถ่ายทางกายภาพของเป้าหมายการถ่ายภาพ และรูปที่ (e) เป็นภาพระยะทางสามมิติ จะเห็นได้ชัดเจนว่าพื้นที่หน้าต่างของพื้นที่ c มีระยะห่างเชิงลึกกับพื้นที่ A และ b แพลตฟอร์มนี้ใช้ความกว้างของพัลส์น้อยกว่า 10 ns ปรับพลังงานพัลส์เดี่ยว (1 ~ 3) mJ ได้ มุมของสนามเลนส์รับ 2° ความถี่การทำซ้ำ 1 kHz อัตราส่วนหน้าที่ของเครื่องตรวจจับประมาณ 60% ด้วยค่าขยายโฟโตเคอร์เรนต์ภายในของ APD การตอบสนองที่รวดเร็ว ขนาดกะทัดรัด ความทนทาน และต้นทุนต่ำ เครื่องตรวจจับโฟโตของ APD จึงสามารถตรวจจับได้เร็วกว่าเครื่องตรวจจับโฟโต PIN ถึงหลายเท่า ดังนั้น liDAR กระแสหลักในปัจจุบันจึงถูกครอบงำโดยเครื่องตรวจจับโฟโตหิมะถล่มเป็นหลัก

โดยรวมแล้ว ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการเตรียม InGaAs ในประเทศและต่างประเทศ เราสามารถใช้ MBE, MOCVD, LPE และเทคโนโลยีอื่นๆ ได้อย่างชำนาญในการเตรียมชั้นอิพิแทกเซียล InGaAs คุณภาพสูงในพื้นที่ขนาดใหญ่บนพื้นผิว InP เครื่องตรวจจับแสง InGaAs แสดงกระแสมืดต่ำและการตอบสนองสูง กระแสมืดต่ำสุดต่ำกว่า 0.75 pA/μm² การตอบสนองสูงสุดอยู่ที่ 0.57 A/W และมีการตอบสนองชั่วขณะที่รวดเร็ว (ลำดับ ps) การพัฒนาเครื่องตรวจจับแสง InGaAs ในอนาคตจะมุ่งเน้นไปที่สองด้านต่อไปนี้: (1) ชั้นอิพิแทกเซียล InGaAs ปลูกโดยตรงบนพื้นผิว Si ในปัจจุบัน อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ในตลาดใช้ Si และการพัฒนาแบบบูรณาการที่ตามมาของ InGaAs และ Si เป็นแนวโน้มทั่วไป การแก้ปัญหา เช่น ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายและความแตกต่างของสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนมีความสำคัญต่อการศึกษา InGaAs/Si (2) เทคโนโลยีความยาวคลื่น 1550 นาโนเมตรได้รับการพัฒนาอย่างเต็มที่แล้ว และความยาวคลื่นที่ขยาย (2.0 ~ 2.5) μm คือแนวทางการวิจัยในอนาคต ด้วยการเพิ่มขึ้นของส่วนประกอบ In ความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่างพื้นผิว InP และชั้นเอพิแทกเซียล InGaAs จะนำไปสู่การเคลื่อนตัวและข้อบกพร่องที่ร้ายแรงยิ่งขึ้น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องปรับพารามิเตอร์กระบวนการอุปกรณ์ให้เหมาะสม ลดข้อบกพร่องของโครงตาข่าย และลดกระแสมืดของอุปกรณ์