InGaAs фотодетекторын бүтэц

БүтэцInGaAs фотодетектор
1980-аад оноос хойш судлаачид InGaAs фотодетекторын бүтцийг судалж ирсэн бөгөөд үүнийг гурван үндсэн төрөлд нэгтгэн дүгнэж болно: InGaAs металл хагас дамжуулагч металлфотодетекторууд(MSM-PD), InGaAsПИН фото илрүүлэгч(PIN-PD) болон InGaAsцасан нурангийн фотодетектор(APD-PD). Өөр өөр бүтэцтэй InGaAs фотодетекторуудын үйлдвэрлэлийн процесс болон өртгийн хувьд мэдэгдэхүйц ялгаа байдаг бөгөөд төхөөрөмжийн гүйцэтгэлд ч мэдэгдэхүйц ялгаа байдаг.
Шотткийн уулзвар дээр суурилсан тусгай бүтэц болох InGaAs металлын хагас дамжуулагч металлын фотодетекторын бүтцийн бүдүүвч диаграммыг зурагт үзүүлэв. 1992 онд Ши нар эпитаксиаль давхаргыг ургуулж, InGaAs MSM фотодетекторуудыг бэлтгэхийн тулд нам даралтын металлын органик уурын фазын эпитакси (LP-MOVPE) технологийг ашигласан. Төхөөрөмж нь 1.3 μm долгионы уртад 0.42 A/W өндөр хариу үйлдэлтэй, 1.5 В хүчдэлд 5.6 pA/μm²-ээс бага харанхуй гүйдэлтэй. 1996 онд судлаачид өндөр эсэргүүцлийн шинж чанартай InAlAs InGaAs InP эпитаксиаль давхаргыг ургуулахын тулд хийн фазын молекулын цацрагийн эпитакси (GSMBE) ашигласан. Рентген дифракцийн хэмжилтээр өсөлтийн нөхцлийг оновчтой болгосноор InGaAs болон InAlAs давхаргуудын хооронд 1 × 10 ⁻ ³ хязгаарт торны зөрүү үүссэн. Үүний үр дүнд төхөөрөмжийн гүйцэтгэлийг оновчтой болгосон бөгөөд 10 В-д 0.75 pA/μm²-ээс бага харанхуй гүйдэл, 5 В-д 16 ps хурдан түр зуурын хариу үйлдэл үзүүлсэн. Ерөнхийдөө MSM бүтцийн фотодетектор нь энгийн бөгөөд нэгтгэхэд хялбар бүтэцтэй бөгөөд бага харанхуй гүйдэл (pA түвшин) үзүүлдэг боловч металл электрод нь төхөөрөмжийн үр дүнтэй гэрлийн шингээлтийн хэсгийг багасгаж, бусад бүтэцтэй харьцуулахад хариу үйлдэл багатай болгодог.

Зурагт үзүүлсэн шиг InGaAs PIN фотодетектор нь P хэлбэрийн контакт давхарга болон N хэлбэрийн контакт давхаргын хооронд оруулсан дотоод давхаргатай бөгөөд энэ нь хомсдолын бүсийн өргөнийг нэмэгдүүлж, улмаар илүү олон электрон нүхний хосыг цацруулж, илүү том фото гүйдэл үүсгэдэг тул маш сайн электрон дамжуулах чадварыг харуулдаг. 2007 онд судлаачид MBE-г ашиглан бага температурт буфер давхаргыг ургуулж, гадаргуугийн барзгар байдлыг сайжруулж, Si болон InP-ийн хоорондох торны зөрүүг даван туулсан. Тэд MOCVD ашиглан InGaAs PIN бүтцийг InP суурь дээр нэгтгэсэн бөгөөд төхөөрөмжийн хариу үйлдэл нь ойролцоогоор 0.57 A/W байв. 2011 онд судлаачид PIN фотодетекторыг ашиглан навигаци, саад бэрхшээл/мөргөлдөөнөөс зайлсхийх, жижиг нисгэгчгүй газрын тээврийн хэрэгслийг байг илрүүлэх/таних богино зайн LiDAR дүрслэх төхөөрөмжийг боловсруулсан. Төхөөрөмжийг хямд өртөгтэй богино долгионы өсгөгч чиптэй нэгтгэсэн нь InGaAs PIN фотодетекторуудын дохио-шуугианы харьцааг мэдэгдэхүйц сайжруулсан. Үүний үндсэн дээр 2012 онд судлаачид энэхүү LiDAR дүрслэлийн төхөөрөмжийг роботуудад ашигласан бөгөөд илрүүлэх хүрээ нь 50 метрээс дээш, нягтралыг нь 256 × 128 болгож нэмэгдүүлсэн.
InGaAs цасан нурангийн фотодетектор нь бүтцийн диаграммд үзүүлсэн шиг олшруулалттай фотодетекторын нэг төрөл юм. Электрон нүхний хосууд нь давхарлах бүсийн доторх цахилгаан орны үйлчлэлээр хангалттай энерги авч, атомуудтай мөргөлдөж шинэ электрон нүхний хос үүсгэж, цасан нурангийн эффект үүсгэж, материал дахь тэнцвэргүй цэнэг тээгчдийг хоёр дахин нэмэгдүүлдэг. 2013 онд судлаачид MBE ашиглан InP суурь дээр торлог бүрхэвчтэй InGaAs болон InAlAs хайлшийг ургуулж, хайлшийн найрлага, эпитаксиаль давхаргын зузаан, допинг хийх замаар зөөгч энергийг өөрчилж, нүхний ионжуулалтыг багасгахын зэрэгцээ электрошок ионжуулалтыг хамгийн их байлгасан. Эквивалент гаралтын дохионы олшруулалтад APD нь дуу чимээ багатай, харанхуй гүйдэл багатай байдаг. 2016 онд судлаачид InGaAs цасан нурангийн фотодетекторууд дээр суурилсан 1570 нм лазер идэвхтэй дүрслэлийн туршилтын платформыг бүтээжээ. Дотоод хэлхээAPD фотодетекторцуурай хүлээн авч, дижитал дохиог шууд гаргаснаар төхөөрөмжийг бүхэлд нь авсаархан болгодог. Туршилтын үр дүнг Зураг (d) ба (e)-д үзүүлэв. Зураг (d) нь дүрслэлийн байны физик зураг бөгөөд Зураг (e) нь гурван хэмжээст зайн зураг юм. С бүсийн цонхны хэсэг нь А ба B бүсээс тодорхой гүнд зайтай байгааг тодорхой харж болно. Энэхүү платформ нь 10 нс-ээс бага импульсийн өргөн, тохируулж болох ганц импульсийн энерги (1-3) мЖ, дамжуулагч болон хүлээн авагч линзний харах талбарын өнцөг 2°, давталтын хурд 1 кГц, илрүүлэгчийн ажлын мөчлөг ойролцоогоор 60% байна. Дотоод фото гүйдлийн олшруулалт, хурдан хариу үйлдэл, авсаархан хэмжээ, бат бөх чанар, APD-ийн хямд өртөг зэргээс шалтгаалан APD фотодетекторууд нь PIN фотодетекторуудаас нэг дахин өндөр илрүүлэх хурдад хүрч чаддаг. Тиймээс одоогоор гол лазер радар нь голчлон цасан нурангийн фотодетекторуудыг ашигладаг.