מבנה שלגלאי צילום InGaAs
מאז שנות ה-80, חוקרים מבית ומחוץ לחקרו את המבנה של גלאי צילום InGaAs, המחולקים בעיקר לשלושה סוגים. הם InGaAs מתכת-מוליך למחצה-מתכת גלאי מתכת (MSM-PD), InGaAs PIN Photodetector (PIN-PD) ו-InGaAs Avalanche Photodetector (APD-PD). ישנם הבדלים משמעותיים בתהליך הייצור ובעלותם של גלאי צילום InGaAs עם מבנים שונים, ויש גם הבדלים גדולים בביצועי המכשיר.
מתכת InGaAs-מוליכים למחצה-מתכתגלאי צילום, המוצג באיור (א), הוא מבנה מיוחד המבוסס על צומת שוטקי. בשנת 1992, שי וחב'. השתמש בטכנולוגיית אפיטקסיה מתכת-אורגני בלחץ נמוך (LP-MOVPE) כדי לגדל שכבות אפיטקסיות והכין צילום גלאי InGaAs MSM, בעל היענות גבוהה של 0.42 A/W באורך גל של 1.3 מיקרומטר וזרם כהה נמוך מ-5.6 pA/ μm² ב-1.5 V. בשנת 1996, zhang et al. השתמש באפיטקסיית קרן מולקולרית של שלב גז (GSMBE) כדי לגדל את שכבת האפיטקסיה InAlAs-InGaAs-InP. שכבת InAlAs הראתה מאפייני התנגדות גבוהים, ותנאי הגדילה אופטימיזציה על ידי מדידת עקיפה בקרני רנטגן, כך שחוסר ההתאמה של הסריג בין שכבות InGaAs ו-InAlAs היה בטווח של 1×10⁻³. זה מביא לביצועי מכשיר מיטביים עם זרם כהה מתחת ל-0.75 pA/μm² ב-10 V ותגובת חולפת מהירה עד 16 ps ב-5 V. בסך הכל, גלאי הצילום של מבנה MSM פשוט וקל לשילוב, מראה זרם כהה נמוך (pA) סדר), אך אלקטרודת המתכת תפחית את אזור קליטת האור האפקטיבי של המכשיר, כך שהתגובה נמוכה יותר ממבנים אחרים.
הפוטו-גלאי InGaAs PIN מכניס שכבה מהותית בין שכבת המגע מסוג P לשכבת המגע מסוג N, כפי שמוצג באיור (ב), מה שמגדיל את רוחב אזור הדלדול, ובכך מקרין יותר זוגות של חור אלקטרוני ויוצר זרם צילום גדול יותר, כך שיש לו ביצועי הולכת אלקטרונים מצוינים. בשנת 2007, A.Poloczek et al. השתמש ב-MBE כדי לגדל שכבת חיץ בטמפרטורה נמוכה כדי לשפר את חספוס פני השטח ולהתגבר על חוסר ההתאמה של הסריג בין Si ל-InP. MOCVD שימש לשילוב מבנה PIN של InGaAs על מצע InP, וההיענות של המכשיר הייתה בערך 0.57A/W. בשנת 2011, מעבדת המחקר של הצבא (ALR) השתמשה ב-PIN photodetectors כדי לחקור מצלמת liDAR לניווט, הימנעות ממכשולים/התנגשות וזיהוי/זיהוי מטרות קצרות טווח עבור כלי רכב יבשתיים קטנים בלתי מאוישים, המשולב עם שבב מגבר מיקרוגל בעלות נמוכה. שיפר משמעותית את יחס האות לרעש של גלאי ה-PIN של InGaAs. על בסיס זה, בשנת 2012, ALR השתמשה בדימוי liDAR זה עבור רובוטים, עם טווח זיהוי של יותר מ-50 מ' ורזולוציה של 256 × 128.
ה-InGaAsגלאי צילום מפולתהוא מעין photodetector עם רווח, שמבנהו מוצג באיור (ג). צמד האלקטרונים-חורים משיג מספיק אנרגיה תחת פעולת השדה החשמלי בתוך אזור ההכפלה, כדי להתנגש באטום, ליצור זוגות אלקטרונים-חורים חדשים, ליצור אפקט מפולת ולהכפיל את נשאי הלא-שיווי משקל בחומר . בשנת 2013, ג'ורג' M השתמש ב-MBE כדי לגדל סגסוגות InGaAs וסגסוגות InAlAs תואמות סריג על מצע InP, תוך שימוש בשינויים בהרכב הסגסוגת, עובי השכבה האפיטקסיאלית וסימום לאנרגיית נושא מאופנת כדי למקסם יינון הלם אלקטרו תוך מזעור יינון חורים. בהגברת אות היציאה המקבילה, APD מציג רעש נמוך יותר וזרם כהה נמוך יותר. בשנת 2016, Sun Jianfeng et al. בנה סט של פלטפורמת הדמיה פעילה בלייזר 1570 ננומטר המבוססת על צילום גלאי מפולת InGaAs. המעגל הפנימי שלגלאי צילום APDהדים שהתקבלו ויציאות ישירות של אותות דיגיטליים, מה שהופך את המכשיר כולו לקומפקטי. תוצאות הניסוי מוצגות באיור. (ד) ו-(ה). איור (ד) הוא צילום פיזי של יעד ההדמיה, ואיור (ה) הוא תמונת מרחק תלת מימדית. ניתן לראות בבירור שלשטח החלון של אזור c יש מרחק עומק מסוים עם שטח A ו-b. הפלטפורמה מממשת רוחב פעימה של פחות מ-10 ns, אנרגיית פולס בודדת (1 ~ 3) מתכווננת mJ, זווית של שדה עדשה קליטה של 2°, תדירות חזרה של 1 קילו-הרץ, יחס הפעלת גלאי של כ-60%. הודות לרווח הפוטו-זרם הפנימי של APD, התגובה המהירה, הגודל הקומפקטי, העמידות והעלות הנמוכה, גלאי צילום של APD יכולים להיות בסדר גודל גבוה יותר בקצב הזיהוי מאשר גלאי צילום PIN, כך שה-LIDAR הנוכחי נשלט בעיקר על ידי גלאי צילום מפולת.
בסך הכל, עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית הכנת InGaAs בבית ומחוצה לה, אנו יכולים להשתמש במיומנות ב-MBE, MOCVD, LPE וטכנולוגיות אחרות להכנת שכבת InGaAs אפיטקסיאלית באיכות גבוהה בשטח גדול על מצע InP. גלאי צילום של InGaAs מציגים זרם כהה נמוך ותגובתיות גבוהה, זרם הכהה הנמוך ביותר נמוך מ-0.75 pA/μm², ההיענות המקסימלית היא עד 0.57 A/W, ויש לו תגובה ארעית מהירה (סדר ps). הפיתוח העתידי של גלאי צילום InGaAs יתמקד בשני ההיבטים הבאים: (1) שכבת האפיטקסיאלית InGaAs גדלה ישירות על מצע Si. כיום, רוב המכשירים המיקרו-אלקטרוניים בשוק מבוססים על Si, והפיתוח המשולב לאחר מכן של InGaAs ו-Si הוא המגמה הכללית. פתרון בעיות כגון חוסר התאמה של סריג והפרש מקדם התפשטות תרמית הוא חיוני למחקר של InGaAs/Si; (2) טכנולוגיית אורך הגל של 1550 ננומטר הייתה בשלה, ואורך הגל המורחב (2.0 ~ 2.5) מיקרומטר הוא כיוון המחקר העתידי. עם הגידול של רכיבי In, חוסר ההתאמה של הסריג בין מצע InP לשכבת האפיטקסיאלית InGaAs תוביל לנקע ופגמים רציניים יותר, ולכן יש צורך לייעל את פרמטרי תהליך ההתקן, להפחית את פגמי הסריג ולהפחית את זרם הכהה של המכשיר.
זמן פרסום: מאי-06-2024