ساختار آشکارساز نوری InGaAs

ساختارردیاب نوری InGaAs

از دهه 1980، محققان داخل و خارج از کشور ساختار آشکارسازهای نوری InGaAs را که عمدتاً به سه نوع تقسیم می‌شوند، مطالعه کردند. آنها عبارتند از InGaAs فلزیاب فلزی نیمه هادی فلزی (MSM-PD)، InGaAs PIN Photodetector (PIN-PD) و InGaAs بهمنی فوتودیاب (APD-PD). تفاوت های قابل توجهی در فرآیند ساخت و هزینه ردیاب های نوری InGaAs با ساختارهای مختلف وجود دارد و همچنین تفاوت های زیادی در عملکرد دستگاه وجود دارد.

InGaAs فلز-نیمه هادی-فلزردیاب نوری، که در شکل (الف) نشان داده شده است، یک ساختار خاص بر اساس اتصال شاتکی است. در سال 1992، شی و همکاران. از فناوری اپیتاکسی فاز بخار آلی فلزی کم فشار (LP-MOVPE) برای رشد لایه های اپیتاکسی استفاده کرد و ردیاب نوری InGaAs MSM را تهیه کرد که دارای پاسخ دهی بالا 0.42 A/W در طول موج 1.3 میکرومتر و جریان تاریک کمتر از 5.6 pA/ است. میکرومتر مربع در 1.5 V. در سال 1996، zhang و همکاران. از اپیتاکسی پرتو مولکولی فاز گاز (GSMBE) برای رشد لایه اپیتاکسی InAlAs-InGaAs-InP استفاده کرد. لایه InAlAs ویژگی های مقاومت بالایی را نشان داد و شرایط رشد با اندازه گیری پراش اشعه ایکس بهینه شد، به طوری که عدم تطابق شبکه بین لایه های InGaAs و InAlAs در محدوده 1×10-3 بود. این منجر به عملکرد بهینه دستگاه با جریان تاریک کمتر از 0.75 pA/μm² در 10 ولت و پاسخ سریع گذرا تا 16ps در 5 ولت می‌شود. در کل، ردیاب نوری ساختار MSM ساده و آسان برای ادغام است و جریان تاریک پایین (pA) را نشان می‌دهد. سفارش)، اما الکترود فلزی منطقه جذب نور موثر دستگاه را کاهش می دهد، بنابراین پاسخ کمتر از سایر ساختارها است.

آشکارساز نوری InGaAs یک لایه ذاتی را بین لایه تماس نوع P و لایه تماس نوع N وارد می کند، همانطور که در شکل (ب) نشان داده شده است، که عرض ناحیه تخلیه را افزایش می دهد، بنابراین جفت الکترون-حفره بیشتری تابش می کند و یک لایه را تشکیل می دهد. جریان نوری بزرگتر، بنابراین عملکرد هدایت الکترونی بسیار خوبی دارد. در سال 2007، A.Poloczek و همکاران. از MBE برای رشد یک لایه بافر در دمای پایین برای بهبود زبری سطح و غلبه بر عدم تطابق شبکه بین Si و InP استفاده کرد. از MOCVD برای ادغام ساختار پین InGaAs بر روی بستر InP استفاده شد و میزان پاسخ دهی دستگاه حدود 0.57A/W بود. در سال 2011، آزمایشگاه تحقیقات ارتش (ALR) از ردیاب های نوری PIN برای مطالعه یک تصویرگر liDAR برای ناوبری، جلوگیری از مانع/برخورد، و تشخیص/شناسایی هدف کوتاه برد برای وسایل نقلیه زمینی کوچک بدون سرنشین، یکپارچه با یک تراشه تقویت کننده مایکروویو ارزان قیمت استفاده کرد. نسبت سیگنال به نویز ردیاب نوری پین InGaAs را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. بر این اساس، در سال 2012، ALR از این تصویرگر لیدار برای روبات ها با برد تشخیص بیش از 50 متر و وضوح 256 × 128 استفاده کرد.

InGaAsردیاب نور بهمننوعی آشکارساز نوری با بهره است که ساختار آن در شکل (ج) نشان داده شده است. جفت الکترون-حفره انرژی کافی را تحت تأثیر میدان الکتریکی در ناحیه دو برابر شدن به دست می آورد، به طوری که با اتم برخورد می کند، جفت الکترون-حفره جدید ایجاد می کند، یک اثر بهمن ایجاد می کند و حامل های غیر تعادلی در ماده را ضرب می کند. . در سال 2013، جورج M از MBE برای رشد آلیاژهای شبکه همسان InGaAs و InAlAs بر روی بستر InP استفاده کرد، با استفاده از تغییرات در ترکیب آلیاژ، ضخامت لایه همپایی، و دوپینگ به انرژی حامل مدوله شده برای به حداکثر رساندن یونیزاسیون الکتروشوک و در عین حال به حداقل رساندن یونیزاسیون سوراخ. در بهره سیگنال خروجی معادل، APD نویز کمتر و جریان تاریک کمتری را نشان می دهد. در سال 2016، سان جیانفنگ و همکاران. مجموعه‌ای از پلت‌فرم آزمایشی تصویربرداری فعال لیزری 1570 نانومتری را بر اساس ردیاب نوری بهمن InGaAs ساخته است. مدار داخلی ازردیاب نوری APDپژواک دریافت می کند و به طور مستقیم سیگنال های دیجیتالی را خروجی می دهد و کل دستگاه را فشرده می کند. نتایج تجربی در شکل نشان داده شده است. (د) و (ه). شکل (د) یک عکس فیزیکی از هدف تصویربرداری است و شکل (ه) یک تصویر فاصله سه بعدی است. به وضوح می توان دید که ناحیه پنجره ناحیه c دارای فاصله عمقی معینی با ناحیه A و b است. پلتفرم عرض پالس کمتر از 10 ns، انرژی تک پالس (1 ~ 3) میلی ژول قابل تنظیم، میدان لنز دریافتی زاویه 2 درجه، فرکانس تکرار 1 کیلوهرتز، نسبت وظیفه آشکارساز حدود 60٪ را درک می کند. به لطف افزایش جریان نور داخلی APD، پاسخ سریع، اندازه جمع و جور، دوام و هزینه کم، آشکارسازهای نوری APD می توانند نسبت به ردیاب های نوری PIN از نظر سرعت تشخیص بالاتر باشند، بنابراین liDAR جریان اصلی فعلی عمدتاً تحت سلطه ردیاب های نوری بهمن است.

به طور کلی، با توسعه سریع فناوری آماده‌سازی InGaAs در داخل و خارج از کشور، می‌توانیم به طرز ماهرانه‌ای از MBE، MOCVD، LPE و سایر فناوری‌ها برای تهیه لایه همپای InGaAs با کیفیت بالا در سطح وسیع بر روی بستر InP استفاده کنیم. آشکارسازهای نوری InGaAs جریان تاریک کم و پاسخ‌دهی بالا را نشان می‌دهند، کمترین جریان تاریک کمتر از 0.75 pA/μm² است، حداکثر پاسخ‌دهی تا 0.57 A/W است و پاسخ گذرا سریع (دستور ps) دارد. توسعه آینده آشکارسازهای نوری InGaAs بر دو جنبه زیر متمرکز خواهد بود: (1) لایه همپای InGaAs مستقیماً روی بستر Si رشد می کند. در حال حاضر، بیشتر دستگاه‌های میکروالکترونیکی موجود در بازار مبتنی بر Si هستند و توسعه یکپارچه بعدی InGaAs و Si مبتنی بر Si روند کلی است. حل مسائلی مانند عدم تطابق شبکه و اختلاف ضریب انبساط حرارتی برای مطالعه InGaAs/Si بسیار مهم است. (2) فناوری طول موج 1550 نانومتر بالغ شده است و طول موج گسترش یافته (2.0 ~ 2.5) میکرومتر جهت تحقیقات آینده است. با افزایش مولفه های In، عدم تطابق شبکه بین بستر InP و لایه همپای InGaAs منجر به دررفتگی و عیوب جدی تری می شود، بنابراین لازم است پارامترهای فرآیند دستگاه بهینه شود، عیوب شبکه کاهش یابد و جریان تاریک دستگاه کاهش یابد.