Η Δομή του Φωτοανιχνευτή InGaAs

Η Δομή τουΦωτοανιχνευτής InGaAs
Από τη δεκαετία του 1980, οι ερευνητές μελετούν τη δομή των φωτοανιχνευτών InGaAs, η οποία μπορεί να συνοψιστεί σε τρεις κύριους τύπους: μέταλλο InGaAs, ημιαγωγός μέταλλοφωτοανιχνευτές(MSM-PD), InGaAsΦωτοανιχνευτές PIN(PIN-PD) και InGaAsφωτοανιχνευτές χιονοστιβάδων(APD-PD). Υπάρχουν σημαντικές διαφορές στη διαδικασία παραγωγής και το κόστος των φωτοανιχνευτών InGaAs με διαφορετικές δομές, ενώ υπάρχουν επίσης σημαντικές διαφορές στην απόδοση της συσκευής.
Το σχηματικό διάγραμμα της δομής του φωτοανιχνευτή μετάλλου InGaAs ημιαγωγού InGaAs φαίνεται στο σχήμα, το οποίο είναι μια ειδική δομή βασισμένη στην ένωση Schottky. Το 1992, οι Shi et al. χρησιμοποίησαν τεχνολογία επιταξίας οργανικής ατμογενούς φάσης μετάλλου χαμηλής πίεσης (LP-MOVPE) για την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων και την προετοιμασία φωτοανιχνευτών InGaAs MSM. Η συσκευή έχει υψηλή απόκριση 0,42 A/W σε μήκος κύματος 1,3 μm και σκοτεινό ρεύμα μικρότερο από 5,6 pA/μ m² στα 1,5 V. Το 1996, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν επιταξία μοριακής δέσμης αέριας φάσης (GSMBE) για την ανάπτυξη επιταξιακών στρωμάτων InAlAs InGaAs InP, τα οποία παρουσίαζαν χαρακτηριστικά υψηλής ειδικής αντίστασης. Οι συνθήκες ανάπτυξης βελτιστοποιήθηκαν μέσω μετρήσεων περίθλασης ακτίνων Χ, με αποτέλεσμα μια αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ των στρωμάτων InGaAs και InAlAs εντός του εύρους 1 × 10 ⁻ ³. Ως αποτέλεσμα, η απόδοση της συσκευής βελτιστοποιήθηκε, με σκοτεινό ρεύμα μικρότερο από 0,75 pA/μ m² στα 10 V και γρήγορη μεταβατική απόκριση 16 ps στα 5 V. Συνολικά, ο φωτοανιχνευτής δομής MSM έχει μια απλή και εύκολη στην ενσωμάτωση δομή, παρουσιάζοντας χαμηλότερο σκοτεινό ρεύμα (επίπεδο pA), αλλά το μεταλλικό ηλεκτρόδιο μειώνει την αποτελεσματική περιοχή απορρόφησης φωτός της συσκευής, με αποτέλεσμα χαμηλότερη απόκριση σε σύγκριση με άλλες δομές.

Ο φωτοανιχνευτής PIN InGaAs έχει ένα εγγενές στρώμα που εισάγεται μεταξύ του στρώματος επαφής τύπου P και του στρώματος επαφής τύπου N, όπως φαίνεται στο σχήμα, το οποίο αυξάνει το πλάτος της περιοχής εξάντλησης, ακτινοβολώντας έτσι περισσότερα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων και σχηματίζοντας ένα μεγαλύτερο φωτορεύμα, επιδεικνύοντας έτσι εξαιρετική ηλεκτρονική αγωγιμότητα. Το 2007, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν MBE για να αναπτύξουν στρώματα buffer χαμηλής θερμοκρασίας, βελτιώνοντας την τραχύτητα της επιφάνειας και ξεπερνώντας την αναντιστοιχία πλέγματος μεταξύ Si και InP. Ενσωμάτωσαν δομές PIN InGaAs σε υποστρώματα InP χρησιμοποιώντας MOCVD, και η απόκριση της συσκευής ήταν περίπου 0,57 A/W. Το 2011, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν φωτοανιχνευτές PIN για να αναπτύξουν μια συσκευή απεικόνισης LiDAR μικρής εμβέλειας για πλοήγηση, αποφυγή εμποδίων/σύγκρουσης και ανίχνευση/αναγνώριση στόχων μικρών μη επανδρωμένων επίγειων οχημάτων. Η συσκευή ενσωματώθηκε με ένα τσιπ ενισχυτή μικροκυμάτων χαμηλού κόστους, βελτιώνοντας σημαντικά την αναλογία σήματος προς θόρυβο των φωτοανιχνευτών PIN InGaAs. Σε αυτή τη βάση, το 2012, οι ερευνητές εφάρμοσαν αυτήν τη συσκευή απεικόνισης LiDAR σε ρομπότ, με εύρος ανίχνευσης άνω των 50 μέτρων και ανάλυση που αυξήθηκε στα 256 × 128.
Ο φωτοανιχνευτής χιονοστιβάδας InGaAs είναι ένας τύπος φωτοανιχνευτή με κέρδος, όπως φαίνεται στο διάγραμμα δομής. Τα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων αποκτούν επαρκή ενέργεια υπό την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου εντός της περιοχής διπλασιασμού και συγκρούονται με άτομα για να δημιουργήσουν νέα ζεύγη οπών ηλεκτρονίων, σχηματίζοντας φαινόμενο χιονοστιβάδας και διπλασιάζοντας τους φορείς φορτίου εκτός ισορροπίας στο υλικό. Το 2013, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν MBE για να αναπτύξουν κράματα InGaAs και InAlAs ταιριαστά με πλέγμα σε υποστρώματα InP, ρυθμίζοντας την ενέργεια του φορέα μέσω αλλαγών στη σύνθεση του κράματος, το πάχος της επιταξιακής στρώσης και την πρόσμιξη, μεγιστοποιώντας τον ιονισμό ηλεκτροσόκ ελαχιστοποιώντας παράλληλα τον ιονισμό των οπών. Υπό ισοδύναμο κέρδος σήματος εξόδου, το APD παρουσιάζει χαμηλό θόρυβο και χαμηλότερο σκοτεινό ρεύμα. Το 2016, οι ερευνητές κατασκεύασαν μια πειραματική πλατφόρμα ενεργής απεικόνισης λέιζερ 1570 nm βασισμένη σε φωτοανιχνευτές χιονοστιβάδας InGaAs. Το εσωτερικό κύκλωμα τουΦωτοανιχνευτής APDλαμβάνει ηχώ και εξάγει απευθείας ψηφιακά σήματα, καθιστώντας ολόκληρη τη συσκευή συμπαγή. Τα πειραματικά αποτελέσματα φαίνονται στα Σχήματα (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 του παραθύρου στη Ζώνη C έχει μια ορισμένη απόσταση βάθους από τις Ζώνες Α και Β. Αυτή η πλατφόρμα επιτυγχάνει πλάτος παλμού μικρότερο από 10 ns, ρυθμιζόμενη ενέργεια μονού παλμού (1-3) mJ, γωνία οπτικού πεδίου 2° για τους φακούς εκπομπής και λήψης, ρυθμό επανάληψης 1 kHz και κύκλο λειτουργίας ανιχνευτή περίπου 60%. Χάρη στο εσωτερικό κέρδος φωτορεύματος, την γρήγορη απόκριση, το συμπαγές μέγεθος, την ανθεκτικότητα και το χαμηλό κόστος του APD, οι φωτοανιχνευτές APD μπορούν να επιτύχουν ρυθμό ανίχνευσης που είναι μία τάξη μεγέθους υψηλότερος από τους φωτοανιχνευτές PIN. Επομένως, σήμερα το κύριο ραντάρ λέιζερ χρησιμοποιεί κυρίως φωτοανιχνευτές χιονοστιβάδας.