Δομή τουΦωτοανιχνευτής InGaAs
Από τη δεκαετία του 1980, ερευνητές στην Ελλάδα και στο εξωτερικό έχουν μελετήσει τη δομή των φωτοανιχνευτών InGaAs, οι οποίοι χωρίζονται κυρίως σε τρεις τύπους. Πρόκειται για τον φωτοανιχνευτή μετάλλου-ημιαγωγού-μετάλλου InGaAs (MSM-PD), τον φωτοανιχνευτή PIN InGaAs (PIN-PD) και τον φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας InGaAs (APD-PD). Υπάρχουν σημαντικές διαφορές στη διαδικασία κατασκευής και το κόστος των φωτοανιχνευτών InGaAs με διαφορετικές δομές, ενώ υπάρχουν επίσης μεγάλες διαφορές στην απόδοση της συσκευής.
Το μέταλλο-ημιαγωγός-μέταλλο InGaAsφωτοανιχνευτής, που φαίνεται στο Σχήμα (α), είναι μια ειδική δομή που βασίζεται στη σύνδεση Schottky. Το 1992, οι Shi et al. χρησιμοποίησαν τεχνολογία επιταξίας μετάλλου-οργανικού σε αέρια φάση χαμηλής πίεσης (LP-MOVPE) για την ανάπτυξη στρωμάτων επιταξίας και προετοίμασαν φωτοανιχνευτή InGaAs MSM, ο οποίος έχει υψηλή απόκριση 0,42 A/W σε μήκος κύματος 1,3 μm και σκοτεινό ρεύμα χαμηλότερο από 5,6 pA/μm² στα 1,5 V. Το 1996, οι Zhang et al. χρησιμοποίησαν επιταξία μοριακής δέσμης αέριας φάσης (GSMBE) για την ανάπτυξη του στρώματος επιταξίας InAlAs-InGaAs-InP. Το στρώμα InAlAs έδειξε χαρακτηριστικά υψηλής ειδικής αντίστασης και οι συνθήκες ανάπτυξης βελτιστοποιήθηκαν με μέτρηση περίθλασης ακτίνων Χ, έτσι ώστε η αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ των στρωμάτων InGaAs και InAlAs να είναι εντός του εύρους 1×10⁻³. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα βελτιστοποιημένη απόδοση της συσκευής με σκοτεινό ρεύμα κάτω από 0,75 pA/μm² στα 10 V και γρήγορη μεταβατική απόκριση έως 16 ps στα 5 V. Συνολικά, ο φωτοανιχνευτής δομής MSM είναι απλός και εύκολος στην ενσωμάτωση, εμφανίζοντας χαμηλό σκοτεινό ρεύμα (τάξη pA), αλλά το μεταλλικό ηλεκτρόδιο θα μειώσει την αποτελεσματική περιοχή απορρόφησης φωτός της συσκευής, επομένως η απόκριση είναι χαμηλότερη από άλλες δομές.
Ο φωτοανιχνευτής PIN InGaAs εισάγει ένα εγγενές στρώμα μεταξύ του στρώματος επαφής τύπου P και του στρώματος επαφής τύπου N, όπως φαίνεται στο Σχήμα (β), το οποίο αυξάνει το πλάτος της περιοχής εξάντλησης, ακτινοβολώντας έτσι περισσότερα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών και σχηματίζοντας ένα μεγαλύτερο φωτορεύμα, επομένως έχει εξαιρετική απόδοση αγωγιμότητας ηλεκτρονίων. Το 2007, οι A. Poloczek et al. χρησιμοποίησαν MBE για να αναπτύξουν ένα στρώμα buffer χαμηλής θερμοκρασίας για να βελτιώσουν την τραχύτητα της επιφάνειας και να ξεπεράσουν την αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ Si και InP. Το MOCVD χρησιμοποιήθηκε για την ενσωμάτωση της δομής PIN InGaAs στο υπόστρωμα InP και η απόκριση της συσκευής ήταν περίπου 0,57A/W. Το 2011, το Εργαστήριο Έρευνας Στρατού (ALR) χρησιμοποίησε φωτοανιχνευτές PIN για να μελετήσει έναν απεικονιστή liDAR για πλοήγηση, αποφυγή εμποδίων/σύγκρουσης και ανίχνευση/ταυτοποίηση στόχων μικρής εμβέλειας για μικρά μη επανδρωμένα επίγεια οχήματα, ενσωματωμένο με ένα τσιπ ενισχυτή μικροκυμάτων χαμηλού κόστους που βελτίωσε σημαντικά την αναλογία σήματος προς θόρυβο του φωτοανιχνευτή PIN InGaAs. Σε αυτή τη βάση, το 2012, η ALR χρησιμοποίησε αυτόν τον απεικονιστή liDAR για ρομπότ, με εύρος ανίχνευσης άνω των 50 μέτρων και ανάλυση 256 × 128.
Το InGaAsφωτοανιχνευτής χιονοστιβάδαςείναι ένα είδος φωτοανιχνευτή με κέρδος, η δομή του οποίου φαίνεται στο Σχήμα (γ). Το ζεύγος ηλεκτρονίων-οπών αποκτά αρκετή ενέργεια υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου μέσα στην περιοχή διπλασιασμού, έτσι ώστε να συγκρουστεί με το άτομο, να δημιουργήσει νέα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών, να σχηματίσει ένα φαινόμενο χιονοστιβάδας και να πολλαπλασιάσει τους φορείς εκτός ισορροπίας στο υλικό. Το 2013, ο George M χρησιμοποίησε MBE για να αναπτύξει κράματα InGaAs και InAlAs ταιριαστά με το πλέγμα σε ένα υπόστρωμα InP, χρησιμοποιώντας αλλαγές στη σύνθεση του κράματος, το πάχος της επιταξιακής στρώσης και πρόσμιξη σε διαμορφωμένη ενέργεια φορέα για να μεγιστοποιήσει τον ιονισμό ηλεκτροσόκ, ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον ιονισμό των οπών. Στο ισοδύναμο κέρδος σήματος εξόδου, το APD εμφανίζει χαμηλότερο θόρυβο και χαμηλότερο σκοτεινό ρεύμα. Το 2016, ο Sun Jianfeng et al. κατασκεύασε ένα σύνολο πειραματικής πλατφόρμας ενεργής απεικόνισης λέιζερ 1570 nm βασισμένη στον φωτοανιχνευτή χιονοστιβάδας InGaAs. Το εσωτερικό κύκλωμα τουΦωτοανιχνευτής APDλαμβάνει ηχώ και εξάγει απευθείας ψηφιακά σήματα, καθιστώντας ολόκληρη τη συσκευή συμπαγή. Τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στα ΣΧ. (δ) και (ε). Το Σχήμα (δ) είναι μια φυσική φωτογραφία του στόχου απεικόνισης και το Σχήμα (ε) είναι μια τρισδιάστατη εικόνα απόστασης. Μπορεί να φανεί καθαρά ότι η περιοχή παραθύρου της περιοχής c έχει μια ορισμένη απόσταση βάθους με τις περιοχές Α και β. Η πλατφόρμα επιτυγχάνει πλάτος παλμού μικρότερο από 10 ns, ρυθμιζόμενη ενέργεια μονού παλμού (1 ~ 3) mJ, γωνία πεδίου φακού λήψης 2°, συχνότητα επανάληψης 1 kHz, λόγο λειτουργίας ανιχνευτή περίπου 60%. Χάρη στο εσωτερικό κέρδος φωτορεύματος της APD, την γρήγορη απόκριση, το συμπαγές μέγεθος, την ανθεκτικότητα και το χαμηλό κόστος, οι φωτοανιχνευτές APD μπορούν να είναι μια τάξη μεγέθους υψηλότεροι σε ποσοστό ανίχνευσης από τους φωτοανιχνευτές PIN, επομένως το τρέχον mainstream liDAR κυριαρχείται κυρίως από φωτοανιχνευτές χιονοστιβάδας.
Συνολικά, με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας παρασκευής InGaAs στην εγχώρια και διεθνή αγορά, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε επιδέξια MBE, MOCVD, LPE και άλλες τεχνολογίες για την παρασκευή επιταξιακού στρώματος InGaAs υψηλής ποιότητας σε μεγάλη επιφάνεια σε υπόστρωμα InP. Οι φωτοανιχνευτές InGaAs παρουσιάζουν χαμηλό σκοτεινό ρεύμα και υψηλή απόκριση, το χαμηλότερο σκοτεινό ρεύμα είναι χαμηλότερο από 0,75 pA/μm², η μέγιστη απόκριση είναι έως 0,57 A/W και έχουν γρήγορη μεταβατική απόκριση (τάξη ps). Η μελλοντική ανάπτυξη φωτοανιχνευτών InGaAs θα επικεντρωθεί στις ακόλουθες δύο πτυχές: (1) Το επιταξιακό στρώμα InGaAs αναπτύσσεται απευθείας σε υπόστρωμα Si. Προς το παρόν, οι περισσότερες μικροηλεκτρονικές συσκευές στην αγορά βασίζονται σε Si και η επακόλουθη ολοκληρωμένη ανάπτυξη InGaAs και Si είναι η γενική τάση. Η επίλυση προβλημάτων όπως η αναντιστοιχία πλέγματος και η διαφορά συντελεστή θερμικής διαστολής είναι κρίσιμη για τη μελέτη του InGaAs/Si. (2) Η τεχνολογία μήκους κύματος 1550 nm έχει ωριμάσει και το εκτεταμένο μήκος κύματος (2,0 ~ 2,5) μm είναι η μελλοντική ερευνητική κατεύθυνση. Με την αύξηση των συστατικών In, η αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ του υποστρώματος InP και του επιταξιακού στρώματος InGaAs θα οδηγήσει σε πιο σοβαρή εξάρθρωση και ελαττώματα, επομένως είναι απαραίτητο να βελτιστοποιηθούν οι παράμετροι επεξεργασίας της συσκευής, να μειωθούν τα ελαττώματα του πλέγματος και να μειωθεί το σκοτεινό ρεύμα της συσκευής.
Ώρα δημοσίευσης: 06 Μαΐου 2024