ساختار آشکارساز نوری InGaAs

ساختارآشکارساز نوری InGaAs
از دهه ۱۹۸۰، محققان در حال مطالعه ساختار آشکارسازهای نوری InGaAs بوده‌اند که می‌توان آنها را در سه نوع اصلی خلاصه کرد: فلز InGaAs، نیمه‌هادی فلزیآشکارسازهای نوری(MSM-PD)، InGaAsآشکارسازهای نوری PIN(PIN-PD) و InGaAsآشکارسازهای نوری بهمن(APD-PD). تفاوت‌های قابل توجهی در فرآیند تولید و هزینه آشکارسازهای نوری InGaAs با ساختارهای مختلف وجود دارد، و همچنین تفاوت‌های قابل توجهی در عملکرد دستگاه وجود دارد.
نمودار شماتیک ساختار آشکارساز نوری فلزی نیمه‌هادی InGaAs در شکل نشان داده شده است که یک ساختار ویژه مبتنی بر اتصال شاتکی است. در سال ۱۹۹۲، شی و همکارانش از فناوری اپیتاکسی فاز بخار آلی فلزی کم‌فشار (LP-MOVPE) برای رشد لایه‌های اپیتاکسیال و تهیه آشکارسازهای نوری InGaAs MSM استفاده کردند. این دستگاه دارای پاسخ‌دهی بالای ۰.۴۲ آمپر بر وات در طول موج ۱.۳ میکرومتر و جریان تاریکی کمتر از ۵.۶ پیکوآمپر بر میکرومتر مربع در ۱.۵ ولت است. در سال ۱۹۹۶، محققان از اپیتاکسی پرتو مولکولی فاز گازی (GSMBE) برای رشد لایه‌های اپیتاکسیال InAlAs InGaAs InP استفاده کردند که ویژگی‌های مقاومت ویژه بالایی را نشان دادند. شرایط رشد از طریق اندازه‌گیری‌های پراش اشعه ایکس بهینه شدند که منجر به عدم تطابق شبکه‌ای بین لایه‌های InGaAs و InAlAs در محدوده ۱ × ۱۰⁻³ شد. در نتیجه، عملکرد دستگاه بهینه شد، با جریان تاریک کمتر از 0.75 pA/μ m² در 10 ولت و پاسخ گذرای سریع 16 پیکوثانیه در 5 ولت. به طور کلی، آشکارساز نوری ساختار MSM دارای ساختاری ساده و آسان برای ادغام است و جریان تاریک (سطح pA) پایین‌تری را نشان می‌دهد، اما الکترود فلزی سطح جذب نور مؤثر دستگاه را کاهش می‌دهد و در نتیجه در مقایسه با سایر ساختارها، پاسخ‌دهی کمتری دارد.

آشکارساز نوری InGaAs PIN دارای یک لایه ذاتی است که بین لایه تماس نوع P و لایه تماس نوع N قرار گرفته است، همانطور که در شکل نشان داده شده است، که عرض ناحیه تخلیه را افزایش می‌دهد، در نتیجه جفت‌های الکترون-حفره بیشتری تابش می‌کند و جریان نوری بزرگتری تشکیل می‌دهد، بنابراین رسانایی الکترونیکی عالی را نشان می‌دهد. در سال ۲۰۰۷، محققان از MBE برای رشد لایه‌های بافر دمای پایین، بهبود زبری سطح و غلبه بر عدم تطابق شبکه بین Si و InP استفاده کردند. آنها ساختارهای InGaAs PIN را با استفاده از MOCVD روی زیرلایه‌های InP ادغام کردند و میزان پاسخگویی دستگاه تقریباً ۰.۵۷ A/W بود. در سال ۲۰۱۱، محققان از آشکارسازهای نوری PIN برای توسعه یک دستگاه تصویربرداری LiDAR با برد کوتاه برای ناوبری، جلوگیری از مانع/برخورد و تشخیص/شناسایی هدف وسایل نقلیه زمینی کوچک بدون سرنشین استفاده کردند. این دستگاه با یک تراشه تقویت‌کننده مایکروویو کم‌هزینه ادغام شد و نسبت سیگنال به نویز آشکارسازهای نوری InGaAs PIN را به طور قابل توجهی بهبود بخشید. بر این اساس، در سال ۲۰۱۲، محققان این دستگاه تصویربرداری لیدار را روی ربات‌ها به کار بردند که برد تشخیص آن بیش از ۵۰ متر و وضوح آن به ۲۵۶ × ۱۲۸ افزایش یافت.
آشکارساز نوری بهمنی InGaAs نوعی آشکارساز نوری با بهره است، همانطور که در نمودار ساختار نشان داده شده است. جفت‌های الکترون-حفره تحت تأثیر میدان الکتریکی درون ناحیه دو برابر شونده، انرژی کافی به دست می‌آورند و با اتم‌ها برخورد می‌کنند تا جفت‌های الکترون-حفره جدید تولید کنند، اثر بهمنی را تشکیل دهند و حامل‌های بار غیرتعادلی را در ماده دو برابر کنند. در سال ۲۰۱۳، محققان از MBE برای رشد آلیاژهای InGaAs و InAlAs منطبق با شبکه روی زیرلایه‌های InP استفاده کردند و انرژی حامل را از طریق تغییرات در ترکیب آلیاژ، ضخامت لایه اپیتکسیال و آلایش تعدیل کردند و یونیزاسیون الکتروشوک را به حداکثر و یونیزاسیون حفره را به حداقل رساندند. تحت بهره سیگنال خروجی معادل، APD نویز کم و جریان تاریک کمتری از خود نشان می‌دهد. در سال ۲۰۱۶، محققان یک پلتفرم آزمایشی تصویربرداری فعال لیزری ۱۵۷۰ نانومتری بر اساس آشکارسازهای 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 در ناحیه C دارای فاصله عمقی مشخصی از نواحی A و B است. این پلتفرم به پهنای پالس کمتر از 10 نانوثانیه، انرژی تک پالس قابل تنظیم (1-3) میلی‌ژول، زاویه دید 2 درجه برای لنزهای فرستنده و گیرنده، نرخ تکرار 1 کیلوهرتز و چرخه وظیفه آشکارساز تقریباً 60٪ دست می‌یابد. به لطف بهره جریان نوری داخلی، پاسخ سریع، اندازه جمع و جور، دوام و هزینه کم APD، آشکارسازهای نوری APD می‌توانند به نرخ تشخیصی دست یابند که یک مرتبه بزرگتر از آشکارسازهای نوری PIN است. بنابراین، در حال حاضر رادار لیزری رایج عمدتاً از آشکارسازهای نوری بهمنی استفاده می‌کند.