מבנה גלאי הפוטואלקטרי InGaAs

המבנה שלגלאי פוטואלקטרי InGaAs
מאז שנות ה-80, חוקרים חוקרים את מבנה גלאי הפוטואלקטריים InGaAs, אשר ניתן לסכם לשלושה סוגים עיקריים: מתכת InGaAs, מתכת מוליך למחצה.גלאי צילום(MSM-PD), InGaAsגלאי פוטו PIN(PIN-PD), ו-InGaAsגלאי פוטו של מפולת שלגים(APD-PD). ישנם הבדלים משמעותיים בתהליך הייצור ובעלות של גלאי פוטואלקטריים מסוג InGaAs בעלי מבנים שונים, וישנם גם הבדלים משמעותיים בביצועי המכשיר.
דיאגרמה סכמטית של מבנה גלאי הפוטואלקטרי של מתכת מוליך למחצה InGaAs מוצגת באיור, שהוא מבנה מיוחד המבוסס על צומת שוטקי. בשנת 1992, שי ועמיתיו השתמשו בטכנולוגיית אפיטקסיה של פאזה אורגנית-מתכתית בלחץ נמוך (LP-MOVPE) כדי לגדל שכבות אפיטקסיאליות ולהכין גלאי פוטואלקטרי InGaAs MSM. למכשיר יש תגובתיות גבוהה של 0.42 A/W באורך גל של 1.3 מיקרומטר וזרם כהה של פחות מ-5.6 pA/μ m² ב-1.5 וולט. בשנת 1996, חוקרים השתמשו באפיטקסיה של קרן מולקולרית בשלב גז (GSMBE) כדי לגדל שכבות אפיטקסיאליות של InAlAs ו-InGaAs InP, שהציגו מאפייני התנגדות גבוהים. תנאי הגידול עברו אופטימיזציה באמצעות מדידות דיפרקציית קרני רנטגן, וכתוצאה מכך נוצרה אי התאמה בסריג בין שכבות InGaAs ו-InAlAs בטווח של 1 × 10⁻³. כתוצאה מכך, ביצועי המכשיר שופרו, עם זרם חושך של פחות מ-0.75 pA/μ m² ב-10 וולט ותגובה חולפת מהירה של 16 ps ב-5 וולט. בסך הכל, לגלאי הפוטואלקטרי בעל מבנה ה-MSM יש מבנה פשוט וקל לשילוב, המציג זרם חושך נמוך יותר (רמת pA), אך האלקטרודה המתכתית מפחיתה את שטח ספיגת האור האפקטיבי של המכשיר, וכתוצאה מכך תגובתיות נמוכה יותר בהשוואה למבנים אחרים.

לגלאי הפוטואלקטרוני InGaAs PIN יש שכבה פנימית המוכנסת בין שכבת המגע מסוג P לשכבת המגע מסוג N, כפי שמוצג באיור, מה שמגדיל את רוחב אזור הדלדול, ובכך מקרין יותר זוגות חורי אלקטרונים ויוצר זרם פוטואלקטרי גדול יותר, ובכך מציג מוליכות אלקטרונית מצוינת. בשנת 2007, חוקרים השתמשו ב-MBE כדי לגדל שכבות חיץ בטמפרטורה נמוכה, לשפר את חספוס פני השטח ולהתגבר על אי התאמה בסריג בין Si ו-InP. הם שילבו מבני PIN של InGaAs על מצעי InP באמצעות MOCVD, והתגובה של המכשיר הייתה כ-0.57 A/W. בשנת 2011, חוקרים השתמשו בגלאי פוטואלקטרוני PIN כדי לפתח התקן הדמיה LiDAR לטווח קצר לניווט, הימנעות ממכשולים/התנגשויות וזיהוי/זיהוי מטרות של כלי רכב קרקעיים קטנים בלתי מאוישים. המכשיר שולב עם שבב מגבר מיקרוגל בעלות נמוכה, מה ששיפר משמעותית את יחס אות לרעש של גלאי פוטואלקטרוני InGaAs PIN. על בסיס זה, בשנת 2012, חוקרים יישמו מכשיר הדמיה LiDAR זה על רובוטים, עם טווח גילוי של מעל 50 מטרים ורזולוציה מוגברת ל-256 × 128.
גלאי פוטואלקטרוניקה מסוג InGaAs הוא סוג של גלאי פוטואלקטרוניקה עם הגבר, כפי שמוצג בתרשים המבנה. זוגות חורי אלקטרונים מקבלים אנרגיה מספקת תחת פעולת השדה החשמלי בתוך אזור ההכפלה, ומתנגשים באטומים כדי ליצור זוגות חורי אלקטרונים חדשים, ויוצרים אפקט מפולת ומכפילים את נושאי המטען שאינם בשיווי משקל בחומר. בשנת 2013, חוקרים השתמשו ב-MBE כדי לגדל סגסוגות InGaAs ו-InAlAs תואמות סריג על מצעי InP, תוך ויסות אנרגיית הנושא באמצעות שינויים בהרכב הסגסוגת, עובי השכבה האפיטקסיאלית והסימום, תוך מיקסום יינון הלם חשמלי תוך מזעור יינון החורים. תחת הגבר אות פלט שווה ערך, APD מציג רעש נמוך וזרם כהה נמוך יותר. בשנת 2016, חוקרים בנו פלטפורמת ניסוי הדמיה אקטיבית בלייזר של 1570 ננומטר המבוססת על גלאי פוטואלקטרוניקה מסוג InGaAs. המעגל הפנימי של...גלאי 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 באזור C נמצא במרחק עומק מסוים מאזורים A ו-B. פלטפורמה זו משיגה רוחב פולס של פחות מ-10 ננו-שניות, אנרגיית פולס יחיד מתכווננת (1-3) mJ, זווית שדה ראייה של 2 מעלות עבור עדשות המשדרות והקליטות, קצב חזרות של 1 kHz ומחזור עבודה של גלאי של כ-60%. הודות להגבר הזרם הפוטואלקטרי הפנימי, התגובה המהירה, הגודל הקומפקטי, העמידות והעלות הנמוכה של APD, גלאי פוטו APD יכולים להשיג קצב גילוי הגבוה בסדר גודל אחד מגלאי פוטו PIN. לכן, כיום מכ"ם הלייזר המרכזי משתמש בעיקר בגלאי פוטו מפולת שלגים.