ساختار آشکارساز نوری InGaAs

ساختارآشکارساز نوری InGaAs

از دهه ۱۹۸۰، محققان داخلی و خارجی ساختار آشکارسازهای نوری InGaAs را مطالعه کرده‌اند که عمدتاً به سه نوع تقسیم می‌شوند. این آشکارسازها عبارتند از آشکارساز نوری فلز-نیمه‌رسانا-فلز InGaAs (MSM-PD)، آشکارساز نوری PIN InGaAs (PIN-PD) و آشکارساز نوری Avalanche InGaAs (APD-PD). تفاوت‌های قابل توجهی در فرآیند ساخت و هزینه آشکارسازهای نوری InGaAs با ساختارهای مختلف وجود دارد و همچنین تفاوت‌های زیادی در عملکرد دستگاه وجود دارد.

فلز-نیمه هادی-فلز InGaAsآشکارساز نوریکه در شکل (a) نشان داده شده است، یک ساختار ویژه مبتنی بر اتصال شاتکی است. در سال 1992، شی و همکارانش از فناوری اپیتاکسی فاز بخار فلز-آلی با فشار پایین (LP-MOVPE) برای رشد لایه‌های اپیتاکسی استفاده کردند و آشکارساز نوری InGaAs MSM را تهیه کردند که دارای پاسخ‌دهی بالای 0.42 A/W در طول موج 1.3 میکرومتر و جریان تاریکی کمتر از 5.6 pA/μm² در 1.5 ولت است. در سال 1996، ژانگ و همکارانش از اپیتاکسی پرتو مولکولی فاز گازی (GSMBE) برای رشد لایه اپیتاکسی InAlAs-InGaAs-InP استفاده کردند. لایه InAlAs ویژگی‌های مقاومت ویژه بالایی را نشان داد و شرایط رشد با اندازه‌گیری پراش اشعه ایکس بهینه شد، به طوری که عدم تطابق شبکه بین لایه‌های InGaAs و InAlAs در محدوده 1×10⁻³ بود. این امر منجر به عملکرد بهینه دستگاه با جریان تاریک کمتر از 0.75 pA/μm² در 10 ولت و پاسخ گذرای سریع تا 16 پیکوثانیه در 5 ولت می‌شود. در کل، آشکارساز نوری ساختار MSM ساده و به راحتی قابل ادغام است و جریان تاریک پایینی (در حد pA) نشان می‌دهد، اما الکترود فلزی سطح جذب نور مؤثر دستگاه را کاهش می‌دهد، بنابراین پاسخ آن کمتر از سایر ساختارها است.

آشکارساز نوری InGaAs PIN یک لایه ذاتی بین لایه تماس نوع P و لایه تماس نوع N قرار می‌دهد، همانطور که در شکل (b) نشان داده شده است، که عرض ناحیه تخلیه را افزایش می‌دهد، بنابراین جفت‌های الکترون-حفره بیشتری تابش می‌کند و جریان نوری بزرگتری تشکیل می‌دهد، بنابراین عملکرد هدایت الکترونی عالی دارد. در سال 2007، A.Poloczek و همکارانش از MBE برای رشد یک لایه بافر دمای پایین برای بهبود زبری سطح و غلبه بر عدم تطابق شبکه بین Si و InP استفاده کردند. MOCVD برای ادغام ساختار InGaAs PIN روی زیرلایه InP استفاده شد و میزان پاسخگویی دستگاه حدود 0.57 آمپر بر وات بود. در سال 2011، آزمایشگاه تحقیقات ارتش (ALR) از آشکارسازهای نوری PIN برای مطالعه یک تصویرگر لیدار برای ناوبری، جلوگیری از مانع/برخورد و تشخیص/شناسایی هدف کوتاه‌برد برای وسایل نقلیه زمینی بدون سرنشین کوچک استفاده کرد که با یک تراشه تقویت‌کننده مایکروویو کم‌هزینه ادغام شده بود که نسبت سیگنال به نویز آشکارساز نوری InGaAs PIN را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. بر این اساس، در سال ۲۰۱۲، ALR از این تصویرگر لیدار برای ربات‌ها استفاده کرد که برد تشخیص آن بیش از ۵۰ متر و وضوح آن ۲۵۶ × ۱۲۸ بود.

InGaAsآشکارساز نوری بهمننوعی آشکارساز نوری با بهره است که ساختار آن در شکل (c) نشان داده شده است. جفت الکترون-حفره تحت تأثیر میدان الکتریکی درون ناحیه دو برابر شونده، انرژی کافی را به دست می‌آورد تا با اتم برخورد کند، جفت‌های الکترون-حفره جدید ایجاد کند، اثر بهمنی تشکیل دهد و حامل‌های غیرتعادلی را در ماده چند برابر کند. در سال ۲۰۱۳، جورج ام. از MBE برای رشد آلیاژهای InGaAs و InAlAs منطبق با شبکه روی یک زیرلایه InP استفاده کرد و با استفاده از تغییرات در ترکیب آلیاژ، ضخامت لایه اپیتکسیال و آلایش به انرژی حامل مدوله شده، یونیزاسیون الکتروشوک را به حداکثر و یونیزاسیون حفره را به حداقل رساند. در بهره سیگنال خروجی معادل، APD نویز کمتر و جریان تاریک کمتری را نشان می‌دهد. در سال ۲۰۱۶، سان جیانفنگ و همکارانش مجموعه‌ای از پلتفرم آزمایشی تصویربرداری فعال لیزری ۱۵۷۰ نانومتری را بر اساس آشکارساز نوری بهمنی InGaAs ساختند. مدار داخلیآشکارساز نوری APDپژواک‌های دریافتی و سیگنال‌های دیجیتال خروجی مستقیم، کل دستگاه را فشرده می‌کند. نتایج آزمایش در شکل‌های (d) و (e) نشان داده شده است. شکل (d) یک عکس فیزیکی از هدف تصویربرداری است و شکل (e) یک تصویر فاصله سه‌بعدی است. به وضوح می‌توان دید که ناحیه پنجره ناحیه c دارای فاصله عمقی مشخصی با ناحیه A و b است. این پلتفرم پهنای پالس کمتر از 10 نانوثانیه، انرژی تک پالس (1 ~ 3) میلی‌ژول قابل تنظیم، زاویه میدان لنز گیرنده 2 درجه، فرکانس تکرار 1 کیلوهرتز و نسبت وظیفه آشکارساز حدود 60٪ را محقق می‌کند. به لطف بهره جریان نوری داخلی APD، پاسخ سریع، اندازه جمع و جور، دوام و هزینه کم، آشکارسازهای نوری APD می‌توانند از نظر نرخ تشخیص، چندین برابر بیشتر از آشکارسازهای نوری PIN باشند، بنابراین لیدار جریان اصلی فعلی عمدتاً تحت سلطه آشکارسازهای نوری بهمنی 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 اپیتاکسیال InGaAs با کیفیت بالا و مساحت بزرگ بر روی زیرلایه InP استفاده کنیم. آشکارسازهای نوری InGaAs جریان تاریک کم و پاسخگویی بالایی را نشان می‌دهند، کمترین جریان تاریک کمتر از 0.75 pA/μm²، حداکثر پاسخگویی تا 0.57 A/W است و پاسخ گذرای سریعی (درجه ps) دارد. توسعه آینده آشکارسازهای نوری InGaAs بر دو جنبه زیر متمرکز خواهد بود: (1) لایه اپیتاکسیال InGaAs مستقیماً روی زیرلایه Si رشد می‌کند. در حال حاضر، اکثر دستگاه‌های میکروالکترونیک موجود در بازار مبتنی بر Si هستند و توسعه یکپارچه بعدی InGaAs و مبتنی بر Si روند کلی است. حل مشکلاتی مانند عدم تطابق شبکه و اختلاف ضریب انبساط حرارتی برای مطالعه InGaAs/Si بسیار مهم است. (2) فناوری طول موج 1550 نانومتر به بلوغ رسیده است و طول موج توسعه‌یافته (2.0 ~ 2.5) میکرومتر، جهت تحقیقات آینده است. با افزایش اجزای In، عدم تطابق شبکه بین زیرلایه InP و لایه اپیتاکسیال InGaAs منجر به جابجایی‌ها و نقص‌های جدی‌تری خواهد شد، بنابراین بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند دستگاه، کاهش نقص‌های شبکه و کاهش جریان تاریک دستگاه ضروری است.