InGaAs լուսադետեկտորի կառուցվածքը

ԿառուցվածքըInGaAs լուսադետեկտոր

1980-ական թվականներից ի վեր, ինչպես երկրի ներսում, այնպես էլ արտասահմանում հետազոտողները ուսումնասիրել են InGaAs լուսադետեկտորների կառուցվածքը, որոնք հիմնականում բաժանվում են երեք տեսակի։ Դրանք են՝ InGaAs մետաղ-կիսահաղորդչային-մետաղ լուսադետեկտոր (MSM-PD), InGaAs PIN լուսադետեկտոր (PIN-PD) և InGaAs ձնահոսքի լուսադետեկտոր (APD-PD): Տարբեր կառուցվածքներով InGaAs լուսադետեկտորների արտադրության գործընթացի և արժեքի մեջ կան էական տարբերություններ, ինչպես նաև մեծ տարբերություններ սարքի աշխատանքի մեջ։

InGaAs մետաղ-կիսահաղորդիչ-մետաղլուսադետեկտորՆկար (ա)-ում պատկերվածը Շոտկիի միացման վրա հիմնված հատուկ կառուցվածք է: 1992 թվականին Շին և այլք օգտագործել են ցածր ճնշման մետաղ-օրգանական գոլորշու փուլային էպիտաքսիայի տեխնոլոգիա (LP-MOVPE)՝ էպիտաքսիայի շերտեր աճեցնելու համար և պատրաստել են InGaAs MSM լուսադետեկտոր, որն ունի 0.42 Ա/Վտ բարձր արձագանքողականություն 1.3 մկմ ալիքի երկարության դեպքում և 5.6 պԱ/մկմ²-ից ցածր մութ հոսանք 1.5 Վ լարման դեպքում: 1996 թվականին Չժանը և այլք օգտագործել են գազային փուլային մոլեկուլային փնջային էպիտաքսիա (GSMBE)՝ InAlAs-InGaAs-InP էպիտաքսիայի շերտը աճեցնելու համար: InAlAs շերտը ցուցաբերել է բարձր դիմադրության բնութագրեր, և աճի պայմանները օպտիմալացվել են ռենտգենյան դիֆրակցիայի չափման միջոցով, այնպես որ InGaAs և InAlAs շերտերի միջև ցանցի անհամապատասխանությունը եղել է 1×10⁻³ միջակայքում: Սա հանգեցնում է սարքի օպտիմալացված աշխատանքի՝ 10 Վ լարման դեպքում 0.75 պԱ/մկմ²-ից ցածր մութ հոսանքով և 5 Վ լարման դեպքում մինչև 16 պվրկ արագ անցումային արձագանքով։ Ընդհանուր առմամբ, MSM կառուցվածքի լուսադետեկտորը պարզ և հեշտ ինտեգրվող է, ցույց է տալիս ցածր մութ հոսանք (pA կարգ), սակայն մետաղական էլեկտրոդը կնվազեցնի սարքի լույսի արդյունավետ կլանման մակերեսը, ուստի արձագանքը ավելի ցածր է, քան մյուս կառուցվածքներում։

InGaAs PIN լուսադետեկտորը, ինչպես ցույց է տրված նկար (բ)-ում, ներքին շերտ է տեղադրում P-տիպի կոնտակտային շերտի և N-տիպի կոնտակտային շերտի միջև, ինչը մեծացնում է սպառման շրջանի լայնությունը, այդպիսով ճառագայթելով ավելի շատ էլեկտրոն-անցք զույգեր և ձևավորելով ավելի մեծ լուսահոսանք, ուստի այն ունի գերազանց էլեկտրոնային հաղորդունակության կատարողականություն: 2007 թվականին Ա. Պոլոչեկը և այլք օգտագործեցին MBE-ն՝ ցածր ջերմաստիճանի բուֆերային շերտ աճեցնելու համար՝ մակերեսի կոպտությունը բարելավելու և Si-ի և InP-ի միջև ցանցի անհամապատասխանությունը հաղթահարելու համար: MOCVD-ն օգտագործվել է InGaAs PIN կառուցվածքը InP հիմքի վրա ինտեգրելու համար, և սարքի արձագանքողականությունը կազմել է մոտ 0.57A/W: 2011 թվականին Բանակի հետազոտական ​​լաբորատորիան (ALR) օգտագործեց PIN լուսադետեկտորներ՝ ուսումնասիրելու liDAR պատկերիչը՝ նավիգացիայի, խոչընդոտների/բախումների կանխարգելման և փոքր անօդաչու գետնային տրանսպորտային միջոցների կարճ հեռավորության թիրախի հայտնաբերման/ճանաչման համար, որը ինտեգրված էր ցածրարժեք միկրոալիքային ուժեղացուցիչ չիպի հետ, որը զգալիորեն բարելավել էր InGaAs PIN լուսադետեկտորի ազդանշան-աղմուկ հարաբերակցությունը: Այս հիմքի վրա, 2012 թվականին ALR-ը ռոբոտների համար օգտագործեց այս liDAR պատկերիչը՝ 50 մ-ից ավելի հայտնաբերման շառավղով և 256 × 128 լուծաչափով։

InGaAs-ըձնահոսքի լուսադետեկտորուժեղացմամբ լուսադետեկտոր է, որի կառուցվածքը ցույց է տրված նկար (գ)-ում: Էլեկտրոն-անցք զույգը ստանում է բավարար էներգիա կրկնապատկման շրջանի ներսում գտնվող էլեկտրական դաշտի ազդեցության տակ, որպեսզի բախվի ատոմին, առաջացնի նոր էլեկտրոն-անցք զույգեր, ձևավորի ձնահոսքի էֆեկտ և բազմապատկի նյութում ոչ հավասարակշռված կրիչները: 2013 թվականին Ջորջ Մ.-ն օգտագործեց MBE-ն՝ InP հիմքի վրա ցանցային համապատասխան InGaAs և InAlAs համաձուլվածքներ աճեցնելու համար՝ օգտագործելով համաձուլվածքի կազմի, էպիտաքսիալ շերտի հաստության փոփոխությունները և մոդուլացված կրիչի էներգիայի համար դոպինգը՝ էլեկտրաշոկի իոնացումը մեծացնելու և անցքերի իոնացումը նվազագույնի հասցնելու համար: Համարժեք ելքային ազդանշանի ուժեղացման դեպքում APD-ն ցույց է տալիս ավելի ցածր աղմուկ և ավելի ցածր մութ հոսանք: 2016 թվականին Սուն Ջիանֆենգը և այլք կառուցեցին 1570 նմ լազերային ակտիվ պատկերման փորձարարական հարթակի հավաքածու՝ հիմնված InGaAs ձնահոսքի լուսադետեկտորի վրա: Ներքին միացումըAPD լուսադետեկտորՍտացված արձագանքները և անմիջապես արտածում թվային ազդանշաններ՝ ամբողջ սարքը դարձնելով կոմպակտ: Փորձարարական արդյունքները ներկայացված են Նկ. (դ) և (ե)-ում: Նկ. (դ)-ն պատկերման թիրախի ֆիզիկական լուսանկար է, իսկ Նկ. (ե)-ն՝ եռաչափ հեռավորության պատկեր: Հստակ երևում է, որ c տարածքի պատուհանի տարածքը որոշակի խորության հեռավորություն ունի A և b տարածքների հետ: Հարթակը ապահովում է 10 նվ-ից պակաս իմպուլսի լայնություն, կարգավորելի մեկ իմպուլսի էներգիա (1 ~ 3) մՋ, ընդունող ոսպնյակի դաշտի անկյուն՝ 2°, կրկնության հաճախականություն՝ 1 կՀց, դետեկտորի մոտ 60% աշխատանքային հարաբերակցություն: APD-ի ներքին լուսահոսքի ուժեղացման, արագ արձագանքի, կոմպակտ չափսերի, դիմացկունության և ցածր գնի շնորհիվ, APD լուսադետեկտորները կարող են մի քանի կարգի ավելի բարձր լինել հայտնաբերման արագությամբ, քան PIN լուսադետեկտորները, ուստի ներկայիս հիմնական liDAR-ը հիմնականում գերակշռում են ձնահոսքի լուսադետեկտորները:

Ընդհանուր առմամբ, InGaAs-ի պատրաստման տեխնոլոգիայի արագ զարգացման շնորհիվ ինչպես երկրում, այնպես էլ արտերկրում, մենք կարող ենք հմտորեն օգտագործել MBE, MOCVD, LPE և այլ տեխնոլոգիաներ՝ InP հիմքի վրա մեծ մակերեսով բարձրորակ InGaAs էպիտաքսիալ շերտ պատրաստելու համար: InGaAs լուսադետեկտորները ցուցաբերում են ցածր մութ հոսանք և բարձր արձագանքողականություն, ամենացածր մութ հոսանքը ցածր է 0.75 pA/μm²-ից, առավելագույն արձագանքողականությունը մինչև 0.57 A/W է և ունի արագ անցումային արձագանք (ps կարգ): InGaAs լուսադետեկտորների ապագա զարգացումը կկենտրոնանա հետևյալ երկու ասպեկտների վրա. (1) InGaAs էպիտաքսիալ շերտը անմիջապես աճեցվում է Si հիմքի վրա: Ներկայումս շուկայում առկա միկրոէլեկտրոնային սարքերի մեծ մասը Si-ի վրա հիմնված է, և InGaAs-ի և Si-ի վրա հիմնված հետագա ինտեգրված զարգացումը ընդհանուր միտում է: InGaAs/Si-ի ուսումնասիրության համար կարևոր է լուծել այնպիսի խնդիրներ, ինչպիսիք են ցանցի անհամապատասխանությունը և ջերմային ընդարձակման գործակիցների տարբերությունը. (2) 1550 նմ ալիքի երկարության տեխնոլոգիան հասունացել է, և երկարացված ալիքի երկարությունը (2.0 ~ 2.5) μm ապագա հետազոտական ​​ուղղությունն է: In բաղադրիչների ավելացման հետ մեկտեղ, InP հիմքի և InGaAs էպիտաքսիալ շերտի միջև ցանցի անհամապատասխանությունը կհանգեցնի ավելի լուրջ տեղաշարժերի և արատների, ուստի անհրաժեշտ է օպտիմալացնել սարքի գործընթացի պարամետրերը, նվազեցնել ցանցի արատները և նվազեցնել սարքի մութ հոսանքը։