ผลการวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับโฟโตดีเทคเตอร์ตรวจจับหิมะถล่ม

ผลการวิจัยล่าสุดของเครื่องตรวจจับแสงถล่ม

เทคโนโลยีการตรวจจับอินฟราเรดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการลาดตระเวนทางทหาร การตรวจสอบสิ่งแวดล้อม การวินิจฉัยทางการแพทย์ และสาขาอื่นๆ เครื่องตรวจจับอินฟราเรดแบบดั้งเดิมมีข้อจำกัดบางประการในด้านประสิทธิภาพ เช่น ความไวในการตรวจจับ ความเร็วในการตอบสนอง เป็นต้น วัสดุ InAs/InAsSb Class II superlattice (T2SL) มีคุณสมบัติทางแสงและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมและสามารถปรับแต่งได้ ทำให้เหมาะสำหรับเครื่องตรวจจับอินฟราเรดคลื่นยาว (LWIR) ปัญหาการตอบสนองที่อ่อนแอในการตรวจจับอินฟราเรดคลื่นยาวเป็นปัญหาที่น่ากังวลมาเป็นเวลานาน ซึ่งจำกัดความน่าเชื่อถือของการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างมาก แม้ว่าเครื่องตรวจจับแสงแบบอะวาแลนซ์ (โฟโตดีเทคเตอร์ APDมีประสิทธิภาพการตอบสนองที่ยอดเยี่ยม แต่มีปัญหาเรื่องกระแสไฟฟ้ามืดสูงในระหว่างการคูณ

เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์แห่งประเทศจีนได้ออกแบบโฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์ (APD) อินฟราเรดคลื่นยาวประสิทธิภาพสูงชนิดซูเปอร์แลตติสคลาส II (T2SL) ได้สำเร็จ นักวิจัยใช้ชั้นดูดซับ InAs/InAsSb T2SL ที่มีอัตราการรวมตัวของออเกอร์ต่ำกว่าเพื่อลดกระแสไฟฟ้ามืด ในขณะเดียวกันก็ใช้ AlAsSb ที่มีค่า k ต่ำเป็นชั้นตัวคูณเพื่อลดสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์ในขณะที่ยังคงรักษาอัตราขยายที่เพียงพอ การออกแบบนี้เป็นแนวทางแก้ปัญหาที่น่าสนใจสำหรับการส่งเสริมการพัฒนาเทคโนโลยีการตรวจจับอินฟราเรดคลื่นยาว ตัวตรวจจับใช้การออกแบบแบบขั้นบันได และโดยการปรับอัตราส่วนองค์ประกอบของ InAs และ InAsSb จะทำให้การเปลี่ยนผ่านของโครงสร้างแถบพลังงานเป็นไปอย่างราบรื่น และปรับปรุงประสิทธิภาพของตัวตรวจจับ ในแง่ของการเลือกวัสดุและกระบวนการเตรียม การศึกษานี้ได้อธิบายรายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการเติบโตและพารามิเตอร์กระบวนการของวัสดุ InAs/InAsSb T2SL ที่ใช้ในการเตรียมตัวตรวจจับ การกำหนดองค์ประกอบและความหนาของ InAs/InAsSb T2SL นั้นมีความสำคัญอย่างยิ่ง และจำเป็นต้องมีการปรับพารามิเตอร์เพื่อให้เกิดสมดุลของความเค้น ในบริบทของการตรวจจับอินฟราเรดคลื่นยาว เพื่อให้ได้ความยาวคลื่นตัดเดียวกันกับ InAs/GaSb T2SL จำเป็นต้องใช้ InAs/InAsSb T2SL ที่มีความหนามากกว่า อย่างไรก็ตาม ความหนาของชั้นเดียวที่มากขึ้นจะส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนลดลงในทิศทางการเติบโต และมวลยังผลของโฮลใน T2SL เพิ่มขึ้น พบว่าการเพิ่มส่วนประกอบ Sb สามารถทำให้ได้ความยาวคลื่นตัดที่ยาวขึ้นโดยไม่ต้องเพิ่มความหนาของชั้นเดียวอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบ Sb ที่มากเกินไปอาจนำไปสู่การแยกตัวของธาตุ Sb ได้

ดังนั้น จึงเลือกใช้ InAs/InAs0.5Sb0.5 T2SL ที่มีหมู่ Sb 0.5 เป็นชั้นแอคทีฟของ APDโฟโตดีเทคเตอร์โครงสร้าง InAs/InAsSb T2SL ส่วนใหญ่เติบโตบนพื้นผิว GaSb ดังนั้นบทบาทของ GaSb ในการจัดการความเครียดจึงจำเป็นต้องได้รับการพิจารณา โดยพื้นฐานแล้ว การบรรลุสมดุลความเครียดเกี่ยวข้องกับการเปรียบเทียบค่าคงที่แลตติสเฉลี่ยของซูเปอร์แลตติสในหนึ่งคาบกับค่าคงที่แลตติสของพื้นผิว โดยทั่วไป ความเครียดดึงใน InAs จะถูกชดเชยด้วยความเครียดอัดที่เกิดจาก InAsSb ส่งผลให้ชั้น InAs หนาขึ้นกว่าชั้น InAsSb งานวิจัยนี้ได้วัดลักษณะการตอบสนองทางไฟฟ้าของโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ รวมถึงการตอบสนองทางสเปกตรัม กระแสไฟฟ้ามืด สัญญาณรบกวน ฯลฯ และตรวจสอบประสิทธิภาพของการออกแบบชั้นไล่ระดับแบบขั้นบันได วิเคราะห์ผลการคูณแบบอะวาแลนซ์ของโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ และอภิปรายความสัมพันธ์ระหว่างปัจจัยการคูณกับกำลังแสงตกกระทบ อุณหภูมิ และพารามิเตอร์อื่นๆ

รูปที่ (A) แผนภาพแสดงโครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์ APD อินฟราเรดคลื่นยาว InAs/InAsSb; (B) แผนภาพแสดงสนามไฟฟ้าที่แต่ละชั้นของโฟโตดีเทคเตอร์ APD