InGaAs ფოტოდეტექტორის სტრუქტურა

სტრუქტურაInGaAs ფოტოდეტექტორი
1980-იანი წლებიდან მოყოლებული, მკვლევარები სწავლობენ InGaAs ფოტოდეტექტორების სტრუქტურას, რომელიც შეიძლება შეჯამდეს სამ ძირითად ტიპად: InGaAs ლითონი, ნახევარგამტარი ლითონიფოტოდეტექტორები(MSM-PD), InGaAsPIN ფოტოდეტექტორები(PIN-PD) და InGaAsზვავის ფოტოდეტექტორები(APD-PD). სხვადასხვა სტრუქტურის მქონე InGaAs ფოტოდეტექტორების წარმოების პროცესში და ღირებულებაში მნიშვნელოვანი განსხვავებებია, ასევე მნიშვნელოვანი განსხვავებებია მოწყობილობის მუშაობაში.
ნახაზზე ნაჩვენებია InGaAs ლითონის ნახევარგამტარული ლითონის ფოტოდეტექტორის სტრუქტურის სქემატური დიაგრამა, რომელიც წარმოადგენს შოტკის შეერთებაზე დაფუძნებულ სპეციალურ სტრუქტურას. 1992 წელს შიმ და სხვებმა გამოიყენეს დაბალი წნევის ლითონის ორგანული ორთქლის ფაზის ეპიტაქსიის (LP-MOVPE) ტექნოლოგია ეპიტაქსიური ფენების გასაზრდელად და InGaAs MSM ფოტოდეტექტორების მოსამზადებლად. მოწყობილობას აქვს მაღალი მგრძნობელობა 0.42 ა/ვტ 1.3 μm ტალღის სიგრძეზე და 5.6 pA/μ m²-ზე ნაკლები ბნელი დენი 1.5 ვოლტზე. 1996 წელს მკვლევარებმა გამოიყენეს გაზფაზური მოლეკულური სხივური ეპიტაქსია (GSMBE) InAlAs InGaAs InP ეპიტაქსიური ფენების გასაზრდელად, რომლებიც ავლენდნენ მაღალი წინაღობის მახასიათებლებს. ზრდის პირობები ოპტიმიზირებული იყო რენტგენის დიფრაქციული გაზომვების საშუალებით, რამაც გამოიწვია ბადის შეუსაბამობა InGaAs-სა და InAlAs-ის ფენებს შორის 1 × 10 ⁻ ³ დიაპაზონში. შედეგად, მოწყობილობის მუშაობა ოპტიმიზირებული იყო, 10 ვოლტზე ბნელი დენის სიმძლავრე 0.75 pA/μ m²-ზე ნაკლები იყო, ხოლო 5 ვოლტზე - 16 ps წამში სწრაფი გარდამავალი რეაქცია. საერთო ჯამში, MSM სტრუქტურის ფოტოდეტექტორს აქვს მარტივი და ადვილად ინტეგრირებადი სტრუქტურა, რომელიც ავლენს უფრო დაბალ ბნელ დენს (pA დონე), მაგრამ ლითონის ელექტროდი ამცირებს მოწყობილობის ეფექტურ სინათლის შთანთქმის არეალს, რაც იწვევს უფრო დაბალ მგრძნობელობას სხვა სტრუქტურებთან შედარებით.

InGaAs PIN ფოტოდეტექტორს აქვს შინაგანი ფენა, რომელიც ჩასმულია P-ტიპის კონტაქტურ ფენასა და N-ტიპის კონტაქტურ ფენას შორის, როგორც ეს ნაჩვენებია ნახაზზე, რაც ზრდის გამოფიტვის რეგიონის სიგანეს, რითაც გამოსხივდება მეტი ელექტრონული ხვრელის წყვილი და წარმოიქმნება უფრო დიდი ფოტოდენი, რითაც ვლინდება შესანიშნავი ელექტრონული გამტარობა. 2007 წელს მკვლევარებმა გამოიყენეს MBE დაბალი ტემპერატურის ბუფერული ფენების გასაზრდელად, რითაც გაუმჯობესდა ზედაპირის უხეშობა და გადალახეს Si-სა და InP-ს შორის ბადის შეუსაბამობა. მათ ინტეგრირება მოახდინეს InGaAs PIN სტრუქტურების InP სუბსტრატებზე MOCVD-ის გამოყენებით და მოწყობილობის მგრძნობელობა დაახლოებით 0.57 A/W იყო. 2011 წელს მკვლევარებმა გამოიყენეს PIN ფოტოდეტექტორები მოკლე დიაპაზონის LiDAR გამოსახულების მოწყობილობის შესაქმნელად ნავიგაციისთვის, დაბრკოლებების/შეჯახების თავიდან ასაცილებლად და მცირე უპილოტო სახმელეთო სატრანსპორტო საშუალებების სამიზნის აღმოსაჩენად/ამოცნობისთვის. მოწყობილობა ინტეგრირებული იყო დაბალფასიან მიკროტალღურ გამაძლიერებელ ჩიპთან, რამაც მნიშვნელოვნად გააუმჯობესა InGaAs PIN ფოტოდეტექტორების სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა. ამის საფუძველზე, 2012 წელს, მკვლევრებმა რობოტებზე გამოიყენეს LiDAR-ის ეს გამოსახულების მოწყობილობა, რომლის აღმოჩენის დიაპაზონი 50 მეტრზე მეტი იყო, ხოლო გარჩევადობა 256 × 128-მდე გაიზარდა.
InGaAs ზვავის ფოტოდეტექტორი არის ფოტოდეტექტორის ტიპი გაძლიერებით, როგორც ეს ნაჩვენებია სტრუქტურულ დიაგრამაზე. ელექტრონული ხვრელების წყვილები გაორმაგების რეგიონში ელექტრული ველის მოქმედებით საკმარის ენერგიას იღებენ და ატომებს ეჯახებიან ახალი ელექტრონული ხვრელების წყვილების გენერირებისთვის, რაც ზვავის ეფექტს ქმნის და მასალაში არათანაბარი მუხტის მატარებლების გაორმაგებას იწვევს. 2013 წელს მკვლევარებმა გამოიყენეს MBE InP სუბსტრატებზე ბადისებრი InGaAs და InAlAs შენადნობების გასაზრდელად, მატარებლის ენერგიის მოდულირებით შენადნობის შემადგენლობის, ეპიტაქსიური ფენის სისქისა და დოპინგის ცვლილებების გზით, ელექტროშოკის იონიზაციის მაქსიმიზაციისა და ხვრელის იონიზაციის მინიმიზაციის გზით. ეკვივალენტური გამომავალი სიგნალის გაძლიერების პირობებში, APD ავლენს დაბალ ხმაურს და დაბალ ბნელ დენს. 2016 წელს მკვლევარებმა ააშენეს 1570 ნმ ლაზერული აქტიური ვიზუალიზაციის ექსპერიმენტული პლატფორმა InGaAs ზვავის ფოტოდეტექტორებზე დაყრდნობით.APD ფოტოდეტექტორიმიღებული ექოები და პირდაპირ გამომავალი ციფრული სიგნალები, რაც მთელ მოწყობილობას კომპაქტურს ხდის. ექსპერიმენტის შედეგები ნაჩვენებია ნახაზებში (დ) და (ე). სურათი (დ) წარმოადგენს გამოსახულების სამიზნის ფიზიკურ ფოტოს, ხოლო სურათი (ე) სამგანზომილებიანი მანძილის გამოსახულებას. ნათლად ჩანს, რომ C ზონაში ფანჯრის არე გარკვეული სიღრმისეული დაშორებითაა A და B ზონებიდან. ეს პლატფორმა აღწევს 10 ns-ზე ნაკლებ იმპულსის სიგანეს, რეგულირებად ერთპულსურ ენერგიას (1-3) mJ, გადამცემი და მიმღები ლინზებისთვის 2° ხედვის კუთხს, 1 kHz გამეორების სიხშირეს და დეტექტორის დაახლოებით 60% სამუშაო ციკლს. შიდა ფოტოდენის გაძლიერების, სწრაფი რეაგირების, კომპაქტური ზომის, გამძლეობისა და APD-ის დაბალი ღირებულების წყალობით, APD ფოტოდეტექტორებს შეუძლიათ მიაღწიონ აღმოჩენის სიჩქარეს, რომელიც ერთი რიგითობით მაღალია PIN ფოტოდეტექტორებთან შედარებით. ამიტომ, ამჟამად ლაზერული რადარი ძირითადად იყენებს ზვავის ფოტოდეტექტორებს.