Cấu trúc của bộ tách sóng quang InGaAs

Cấu trúc củaBộ tách sóng quang InGaAs

Từ những năm 1980, các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước đã nghiên cứu cấu trúc của bộ tách sóng quang InGaAs, chủ yếu được chia thành ba loại. Chúng là bộ tách sóng quang kim loại-bán dẫn-kim loại InGaAs (MSM-PD), Bộ tách sóng quang PIN InGaAs (PIN-PD) và Bộ tách sóng quang InGaAs Avalanche (APD-PD). Có sự khác biệt đáng kể trong quy trình chế tạo và giá thành của bộ tách sóng quang InGaAs với các cấu trúc khác nhau và cũng có sự khác biệt lớn về hiệu suất của thiết bị.

Kim loại-bán dẫn-kim loại InGaAsmáy tách sóng quang, được hiển thị trong Hình (a), là một cấu trúc đặc biệt dựa trên đường giao nhau Schottky. Năm 1992, Shi và cộng sự. đã sử dụng công nghệ epit Wax pha hơi hữu cơ kim loại áp suất thấp (LP-MOVPE) để phát triển các lớp epit Wax và chuẩn bị bộ tách sóng quang InGaAs MSM, có độ phản hồi cao 0,42 A/W ở bước sóng 1,3 μm và dòng điện tối thấp hơn 5,6 pA/ μm² ở mức 1,5 V. Năm 1996, zhang và cộng sự. đã sử dụng epit Wax chùm phân tử pha khí (GMBE) để phát triển lớp epit Wax InAlAs-InGaAs-InP. Lớp InAlAs cho thấy các đặc tính điện trở suất cao và các điều kiện tăng trưởng được tối ưu hóa bằng phép đo nhiễu xạ tia X, do đó sự không khớp mạng giữa các lớp InGaAs và InAlAs nằm trong phạm vi 1×10⁻³. Điều này mang lại hiệu suất thiết bị được tối ưu hóa với dòng điện tối dưới 0,75 pA/μm2 ở 10 V và phản hồi tức thời nhanh lên đến 16 ps ở 5 V. Nhìn chung, bộ tách sóng quang cấu trúc MSM đơn giản và dễ tích hợp, hiển thị dòng điện tối thấp (pA trật tự), nhưng điện cực kim loại sẽ làm giảm diện tích hấp thụ ánh sáng hiệu quả của thiết bị nên độ phản hồi thấp hơn các cấu trúc khác.

Bộ tách sóng quang InGaAs PIN chèn một lớp bên trong giữa lớp tiếp xúc loại P và lớp tiếp xúc loại N, như trong Hình (b), làm tăng độ rộng của vùng cạn kiệt, do đó bức xạ nhiều cặp lỗ electron hơn và hình thành một dòng quang lớn hơn nên nó có hiệu suất dẫn điện tử tuyệt vời. Năm 2007, A.Poloczek và cộng sự. đã sử dụng MBE để phát triển lớp đệm nhiệt độ thấp nhằm cải thiện độ nhám bề mặt và khắc phục sự không khớp mạng giữa Si và InP. MOCVD được sử dụng để tích hợp cấu trúc mã PIN InGaAs trên đế InP và khả năng phản hồi của thiết bị là khoảng 0,57A/W. Vào năm 2011, Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Quân đội (ALR) đã sử dụng bộ tách sóng quang PIN để nghiên cứu thiết bị chụp ảnh liDAR để điều hướng, tránh chướng ngại vật/va chạm và phát hiện/nhận dạng mục tiêu tầm ngắn cho các phương tiện mặt đất không người lái cỡ nhỏ, được tích hợp với chip khuếch đại vi sóng chi phí thấp. cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang InGaAs PIN. Trên cơ sở đó, vào năm 2012, ALR đã sử dụng thiết bị chụp ảnh liDAR này cho robot, với phạm vi phát hiện hơn 50 m và độ phân giải 256 × 128.

InGaAsmáy dò quang tuyết lởlà một loại bộ tách sóng quang có độ lợi, cấu trúc của nó được thể hiện trong Hình (c). Cặp electron-lỗ trống thu được đủ năng lượng dưới tác dụng của điện trường bên trong vùng nhân đôi, để va chạm với nguyên tử, tạo ra các cặp electron-lỗ trống mới, tạo thành hiệu ứng tuyết lở và nhân lên các hạt mang điện không cân bằng trong vật liệu . Vào năm 2013, George M đã sử dụng MBE để phát triển các hợp kim InGaAs và InAlAs phù hợp với mạng tinh thể trên đế InP, sử dụng những thay đổi về thành phần hợp kim, độ dày lớp epiticular và pha tạp vào năng lượng hạt tải đã điều biến để tối đa hóa quá trình ion hóa sốc điện đồng thời giảm thiểu quá trình ion hóa lỗ trống. Ở mức tăng tín hiệu đầu ra tương đương, APD hiển thị độ nhiễu thấp hơn và dòng điện tối thấp hơn. Năm 2016, Tôn Kiến Phong và cộng sự. đã xây dựng một bộ nền tảng thử nghiệm hình ảnh hoạt động bằng laser 1570nm dựa trên bộ tách sóng quang tuyết lở InGaAs. Mạch bên trong củaBộ tách sóng quang APDnhận được tiếng vang và xuất trực tiếp tín hiệu số, làm cho toàn bộ thiết bị trở nên nhỏ gọn. Các kết quả thí nghiệm được thể hiện trên hình. (d) và (e). Hình (d) là ảnh vật lý của mục tiêu hình ảnh và Hình (e) là hình ảnh khoảng cách ba chiều. Có thể thấy rõ khu vực cửa sổ khu vực c có khoảng cách sâu nhất định với khu vực A và b. Nền tảng này nhận ra độ rộng xung dưới 10 ns, năng lượng xung đơn (1 ~ 3) mJ có thể điều chỉnh, góc trường thấu kính nhận là 2°, tần số lặp lại 1 kHz, tỷ lệ nhiệm vụ của máy dò khoảng 60%. Nhờ khả năng tăng cường dòng quang bên trong của APD, phản hồi nhanh, kích thước nhỏ gọn, độ bền và chi phí thấp, bộ tách sóng quang APD có thể có tốc độ phát hiện cao hơn nhiều so với bộ tách sóng quang PIN, do đó, liDAR chính thống hiện nay chủ yếu bị chi phối bởi bộ tách sóng quang tuyết lở.

Nhìn chung, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chuẩn bị InGaAs trong và ngoài nước, chúng ta có thể sử dụng khéo léo MBE, MOCVD, LPE và các công nghệ khác để chuẩn bị lớp epiticular InGaAs chất lượng cao trên diện rộng trên đế InP. Bộ tách sóng quang InGaAs thể hiện dòng điện tối thấp và độ phản hồi cao, dòng điện tối thấp nhất thấp hơn 0,75 pA/μm², độ phản hồi tối đa lên tới 0,57 A/W và có phản hồi nhanh nhất thời (thứ tự ps). Sự phát triển trong tương lai của bộ tách sóng quang InGaAs sẽ tập trung vào hai khía cạnh sau: (1) Lớp epiticular InGaAs được phát triển trực tiếp trên đế Si. Hiện tại, hầu hết các thiết bị vi điện tử trên thị trường đều dựa trên Si và sự phát triển tích hợp tiếp theo của InGaAs và dựa trên Si là xu hướng chung. Việc giải quyết các vấn đề như sự không khớp mạng và chênh lệch hệ số giãn nở nhiệt là rất quan trọng cho việc nghiên cứu InGaAs/Si; (2) Công nghệ bước sóng 1550nm đã hoàn thiện và bước sóng mở rộng (2,0 ~ 2,5) μm là hướng nghiên cứu trong tương lai. Với sự gia tăng của các thành phần In, sự không khớp mạng giữa chất nền InP và lớp epiticular InGaAs sẽ dẫn đến sai lệch và khuyết tật nghiêm trọng hơn, do đó cần tối ưu hóa các tham số xử lý của thiết bị, giảm các khuyết tật mạng và giảm dòng điện tối của thiết bị.