โครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs

โครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs
นับตั้งแต่ทศวรรษ 1980 นักวิจัยได้ศึกษาโครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs ซึ่งสามารถสรุปได้เป็นสามประเภทหลัก ได้แก่ InGaAs โลหะ สารกึ่งตัวนำ และโลหะเครื่องตรวจจับแสง(MSM-PD), อินแกลเลียมแอสโฟโตดีเทคเตอร์ PIN(PIN-PD) และ InGaAsโฟโตดีเทคเตอร์แบบถล่ม(APD-PD) มีความแตกต่างอย่างมากในกระบวนการผลิตและต้นทุนของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs ที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ก็มีความแตกต่างอย่างมากเช่นกัน
ภาพแสดงแผนผังโครงสร้างของโฟโตดีเทคเตอร์โลหะเซมิคอนดักเตอร์โลหะ InGaAs ซึ่งเป็นโครงสร้างพิเศษที่ใช้หลักการของ Schottky junction ในปี 1992 Shi และคณะได้ใช้เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบไอระเหยอินทรีย์โลหะความดันต่ำ (LP-MOVPE) เพื่อปลูกชั้นผลึกและเตรียมโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs MSM อุปกรณ์ดังกล่าวมีความไวสูงถึง 0.42 A/W ที่ความยาวคลื่น 1.3 μm และกระแสไฟฟ้ามืดน้อยกว่า 5.6 pA/μm² ที่ 1.5 V ในปี 1996 นักวิจัยได้ใช้การปลูกผลึกแบบลำแสงโมเลกุลเฟสแก๊ส (GSMBE) เพื่อปลูกชั้นผลึก InAlAs InGaAs InP ซึ่งแสดงคุณลักษณะความต้านทานสูง สภาวะการเจริญเติบโตได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุดผ่านการวัดการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ ส่งผลให้เกิดความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกระหว่างชั้น InGaAs และ InAlAs ภายในช่วง 1 × 10⁻³ ด้วยเหตุนี้ ประสิทธิภาพของอุปกรณ์จึงได้รับการปรับให้เหมาะสมที่สุด โดยมีกระแสไฟฟ้ามืดน้อยกว่า 0.75 pA/μm² ที่ 10 V และการตอบสนองชั่วคราวที่รวดเร็ว 16 ps ที่ 5 V โดยรวมแล้ว โฟโตดีเทคเตอร์โครงสร้าง MSM มีโครงสร้างที่เรียบง่ายและง่ายต่อการรวมเข้าด้วยกัน แสดงให้เห็นกระแสไฟฟ้ามืดที่ต่ำกว่า (ระดับ pA) แต่ขั้วไฟฟ้าโลหะลดพื้นที่การดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพของอุปกรณ์ ส่งผลให้ความไวในการตอบสนองต่ำกว่าเมื่อเทียบกับโครงสร้างอื่นๆ

โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs PIN มีชั้นอินทริสิกแทรกอยู่ระหว่างชั้นสัมผัสชนิด P และชั้นสัมผัสชนิด N ดังแสดงในรูป ซึ่งจะเพิ่มความกว้างของบริเวณการพร่อง ทำให้เกิดการแผ่รังสีของคู่อิเล็กตรอน-โฮลมากขึ้นและสร้างกระแสไฟฟ้าที่ใหญ่ขึ้น จึงแสดงให้เห็นถึงการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม ในปี 2550 นักวิจัยใช้ MBE ในการปลูกชั้นบัฟเฟอร์ที่อุณหภูมิต่ำ ปรับปรุงความเรียบของพื้นผิวและเอาชนะความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกระหว่าง Si และ InP พวกเขารวมโครงสร้าง InGaAs PIN บนพื้นผิว InP โดยใช้ MOCVD และความไวในการตอบสนองของอุปกรณ์อยู่ที่ประมาณ 0.57 A/W ในปี 2554 นักวิจัยใช้โฟโตดีเทคเตอร์ PIN ในการพัฒนาอุปกรณ์ถ่ายภาพ LiDAR ระยะสั้นสำหรับการนำทาง การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง/การชน และการตรวจจับ/การจดจำเป้าหมายของยานพาหนะภาคพื้นดินไร้คนขับขนาดเล็ก อุปกรณ์นี้ถูกรวมเข้ากับชิปขยายสัญญาณไมโครเวฟราคาประหยัด ซึ่งช่วยปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs PIN อย่างมีนัยสำคัญ จากพื้นฐานนี้ ในปี 2012 นักวิจัยได้ประยุกต์ใช้อุปกรณ์สร้างภาพ LiDAR นี้กับหุ่นยนต์ โดยมีระยะการตรวจจับมากกว่า 50 เมตร และความละเอียดเพิ่มขึ้นเป็น 256 × 128 พิกเซล
โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ InGaAs เป็นโฟโตดีเทคเตอร์ชนิดหนึ่งที่มีการขยายสัญญาณ ดังแสดงในแผนภาพโครงสร้าง คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลจะได้รับพลังงานเพียงพอภายใต้การกระทำของสนามไฟฟ้าภายในบริเวณการเพิ่มจำนวน และชนกับอะตอมเพื่อสร้างคู่ของอิเล็กตรอนและโฮลใหม่ ทำให้เกิดปรากฏการณ์อะวาแลนซ์และเพิ่มจำนวนตัวนำประจุที่ไม่สมดุลในวัสดุเป็นสองเท่า ในปี 2556 นักวิจัยใช้ MBE ในการปลูกโลหะผสม InGaAs และ InAlAs ที่มีโครงสร้างผลึกเข้ากันได้บนพื้นผิว InP โดยปรับพลังงานของตัวนำผ่านการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบของโลหะผสม ความหนาของชั้นเอพิแทกเซียล และการเจือปน เพื่อเพิ่มการแตกตัวเป็นไอออนด้วยไฟฟ้าให้สูงสุดในขณะที่ลดการแตกตัวเป็นไอออนของโฮลให้น้อยที่สุด ภายใต้การขยายสัญญาณเอาต์พุตที่เทียบเท่ากัน APD แสดงให้เห็นถึงสัญญาณรบกวนต่ำและกระแสไฟฟ้ามืดต่ำ ในปี 2559 นักวิจัยได้สร้างแพลตฟอร์มการทดลองการถ่ายภาพแบบแอคทีฟด้วยเลเซอร์ 1570 นาโนเมตรโดยใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ InGaAs วงจรภายในของโฟโตดีเทคเตอร์ APDรับสัญญาณสะท้อนและส่งสัญญาณดิจิทัลออกโดยตรง ทำให้ตัวอุปกรณ์ทั้งหมดมีขนาดกะทัดรัด ผลการทดลองแสดงในรูปที่ (d) และ (e) รูปที่ (d) เป็นภาพถ่ายจริงของเป้าหมายการถ่ายภาพ และรูปที่ (e) เป็นภาพระยะทางสามมิติ จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าพื้นที่หน้าต่างในโซน C มีระยะความลึกที่แน่นอนจากโซน A และ B แพลตฟอร์มนี้มีความกว้างพัลส์น้อยกว่า 10 ns พลังงานพัลส์เดี่ยวที่ปรับได้ (1-3) mJ มุมมองภาพ 2° สำหรับเลนส์ส่งและรับ อัตราการทำซ้ำ 1 kHz และรอบการทำงานของตัวตรวจจับประมาณ 60% ด้วยการเพิ่มกระแสไฟฟ้าภายใน การตอบสนองที่รวดเร็ว ขนาดกะทัดรัด ความทนทาน และต้นทุนต่ำของ APD ทำให้โฟโตดีเทคเตอร์ APD สามารถบรรลุอัตราการตรวจจับที่สูงกว่าโฟโตดีเทคเตอร์ PIN ถึงหนึ่งลำดับ ดังนั้น ปัจจุบันเรดาร์เลเซอร์กระแสหลักจึงใช้โฟโตดีเทคเตอร์แบบ Avalanche เป็นหลัก