מבנה גלאי הפוטואלקטרי InGaAs

מבנה שלגלאי פוטו InGaAs

מאז שנות ה-80, חוקרים בארץ ובחו"ל חקרו את מבנה גלאי הפוטואלקטריים InGaAs, המחולקים בעיקר לשלושה סוגים. הם גלאי פוטואלקטריים InGaAs מתכת-מוליך למחצה-מתכת (MSM-PD), גלאי פוטואלקטריים InGaAs PIN (PIN-PD), וגלאי פוטואלקטריים InGaAs מפולת שלגים (APD-PD). ישנם הבדלים משמעותיים בתהליך הייצור ובעלות של גלאי פוטואלקטריים InGaAs בעלי מבנים שונים, וישנם גם הבדלים גדולים בביצועי המכשיר.

מתכת InGaAs-מוליך למחצה-מתכתגלאי אור, המוצג באיור (א), הוא מבנה מיוחד המבוסס על צומת שוטקי. בשנת 1992, שי ועמיתיו השתמשו בטכנולוגיית אפיטקסיה של פאזה אורגנית-מתכתית בלחץ נמוך (LP-MOVPE) כדי לגדל שכבות אפיטקסיה והכינו גלאי פוטואלקטרי InGaAs MSM, בעל תגובתיות גבוהה של 0.42 A/W באורך גל של 1.3 מיקרומטר וזרם חושך נמוך מ-5.6 pA/μm² ב-1.5 וולט. בשנת 1996, ג'אנג ועמיתיו השתמשו באפיטקסיה של קרן מולקולרית בפאזה גזית (GSMBE) כדי לגדל את שכבת האפיטקסיה InAlAs-InGaAs-InP. שכבת ה-InAlAs הראתה מאפייני התנגדות גבוהים, ותנאי הגידול עברו אופטימיזציה על ידי מדידת דיפרקציית קרני רנטגן, כך שאי-ההתאמה בסריג בין שכבות ה-InGaAs וה-InAlAs הייתה בטווח של 1×10⁻³. התוצאה היא ביצועי המכשיר אופטימליים עם זרם כהה מתחת ל-0.75 pA/μm² ב-10 וולט ותגובה חולפת מהירה של עד 16 ps ב-5 וולט. באופן כללי, גלאי הפוטואלקטרי של מבנה ה-MSM פשוט וקל לשילוב, ומציג זרם כהה נמוך (סדר pA), אך האלקטרודה המתכתית תפחית את שטח ספיגת האור האפקטיבי של המכשיר, כך שהתגובה נמוכה יותר ממבנים אחרים.

גלאי הפוטואלקטרון InGaAs PIN מכניס שכבה פנימית בין שכבת המגע מסוג P לשכבת המגע מסוג N, כפי שמוצג באיור (ב), מה שמגדיל את רוחב אזור הדלדול, ובכך מקרין יותר זוגות אלקטרונים-חור ויוצר זרם פוטואלקטרוני גדול יותר, כך שיש לו ביצועי הולכת אלקטרונים מצוינים. בשנת 2007, A.Poloczek ועמיתיו השתמשו ב-MBE כדי לגדל שכבת חיץ בטמפרטורה נמוכה כדי לשפר את חספוס פני השטח ולהתגבר על חוסר ההתאמה בסריג בין Si ו-InP. MOCVD שימש לשילוב מבנה PIN של InGaAs על מצע InP, והתגובה של המכשיר הייתה כ-0.57A/W. בשנת 2011, מעבדת המחקר של הצבא (ALR) השתמשה בגלאי פוטואלקטרון PIN כדי לחקור מכשיר הדמיה liDAR לניווט, הימנעות ממכשולים/התנגשויות וזיהוי/גילוי מטרות לטווח קצר עבור כלי רכב קרקעיים קטנים בלתי מאוישים, משולב עם שבב מגבר מיקרוגל בעלות נמוכה ששיפר משמעותית את יחס אות לרעש של גלאי הפוטואלקטרון InGaAs PIN. על בסיס זה, בשנת 2012, ALR השתמשה במכשיר הדמיית lidar זה עבור רובוטים, עם טווח גילוי של יותר מ-50 מטר ורזולוציה של 256 × 128.

ה-InGaAsגלאי פוטו של מפולת שלגיםהוא סוג של גלאי אלקטרון-חור עם הגבר, שמבנהו מוצג באיור (ג). זוג האלקטרון-חור משיג מספיק אנרגיה תחת פעולת השדה החשמלי בתוך אזור ההכפלה, כדי להתנגש באטום, ליצור זוגות אלקטרונים-חור חדשים, ליצור אפקט מפולת שלגים ולהכפיל את נושאי הגלאים שאינם בשיווי משקל בחומר. בשנת 2013, ג'ורג' מ' השתמש ב-MBE כדי לגדל סגסוגות InGaAs ו-InAlAs תואמות סריג על מצע InP, תוך שימוש בשינויים בהרכב הסגסוגת, עובי השכבה האפיטקסיאלית וסימום לאנרגיית נושא מווסתת כדי למקסם את יינון ההלם האלקטרו תוך מזעור יינון החור. בהגבר אות הפלט המקביל, APD מראה רעש נמוך יותר וזרם חושך נמוך יותר. בשנת 2016, סאן ג'יאנפנג ואחרים בנו סט של פלטפורמת ניסוי הדמיה אקטיבית לייזר 1570 ננומטר המבוססת על גלאי מפולת שלגים InGaAs. המעגל הפנימי שלגלאי פוטו APDהדים קולטים ומוציאים אותות דיגיטליים ישירות, מה שהופך את המכשיר כולו לקומפקטי. תוצאות הניסוי מוצגות באיורים (ד) ו-(ה). איור (ד) הוא תמונה פיזית של מטרת ההדמיה, ואיור (ה) הוא תמונת מרחק תלת-ממדית. ניתן לראות בבירור כי אזור החלון של אזור c הוא בעל מרחק עומק מסוים עם אזור A ו-b. הפלטפורמה מממשת רוחב פולס של פחות מ-10 ננו-שניות, אנרגיית פולס בודדת (1 ~ 3) mJ מתכווננת, זווית שדה עדשת קליטה של ​​2°, תדר חזרה של 1 kHz, יחס חובת גלאי של כ-60%. הודות להגבר הזרם הפוטואלקטרי הפנימי של APD, תגובה מהירה, גודל קומפקטי, עמידות ועלות נמוכה, גלאי פוטו APD יכולים להיות גבוהים בסדר גודל בקצב הגילוי מאשר גלאי פוטו PIN, כך ש-liDAR המיינסטרים הנוכחי נשלט בעיקר על ידי גלאי פוטו מפולת.

בסך הכל, עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הכנת InGaAs בארץ ובחו"ל, אנו יכולים להשתמש במיומנות ב-MBE, MOCVD, LPE וטכנולוגיות אחרות כדי להכין שכבה אפיטקסיאלית של InGaAs באיכות גבוהה בשטח גדול על גבי מצע InP. גלאי פוטו InGaAs מציגים זרם כהה נמוך ותגובתיות גבוהה, זרם הכהה הנמוך ביותר נמוך מ-0.75 pA/μm², התגובה המקסימלית היא עד 0.57 A/W, ובעל תגובה חולפת מהירה (סדר ps). הפיתוח העתידי של גלאי פוטו InGaAs יתמקד בשני ההיבטים הבאים: (1) שכבת האפיטקסיאלית של InGaAs גדלה ישירות על גבי מצע סיליקון. כיום, רוב המכשירים המיקרואלקטרוניים בשוק מבוססי סיליקון, והפיתוח המשולב שלאחר מכן של InGaAs וסיליקון הוא המגמה הכללית. פתרון בעיות כגון אי התאמה בסריג והבדל במקדמי התפשטות תרמית הוא קריטי לחקר InGaAs/Si; (2) טכנולוגיית אורך הגל של 1550 ננומטר בוגרת, ואורך הגל המורחב (2.0 ~ 2.5) מיקרומטר הוא כיוון המחקר העתידי. עם העלייה ברכיבי In, אי-ההתאמה בסריג בין מצע InP לשכבה האפיטקסיאלית של InGaAs תוביל לתזוזה ופגמים חמורים יותר, ולכן יש צורך לייעל את פרמטרי תהליך המכשיר, להפחית את פגמי הסריג ולהפחית את זרם החושך של המכשיר.