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: bộ tách sóng quang InGaAs kim loại-bán dẫn-kim loại (MSM-PD), bộ tách sóng quang InGaAs PIN (PIN-PD) và bộ tách sóng quang InGaAs Avalanche (APD-PD). Có sự khác biệt đáng kể về quy trình chế tạo và chi phí của các bộ tách sóng quang InGaAs với các cấu trúc khác nhau, và cũng có sự khác biệt lớn về hiệu suất thiết bị.

InGaAs kim loại-bán dẫn-kim loạimáy dò quang, được thể hiện trong Hình (a), là một cấu trúc đặc biệt dựa trên tiếp giáp Schottky. Năm 1992, Shi và cộng sự đã sử dụng công nghệ epitaxy pha hơi kim loại-hữu cơ áp suất thấp (LP-MOVPE) để nuôi cấy các lớp epitaxy và chế tạo bộ tách sóng quang InGaAs MSM, có độ phản ứng cao 0,42 A/W ở bước sóng 1,3 μm và dòng tối thấp hơn 5,6 pA/ μm² ở 1,5 V. Năm 1996, zhang và cộng sự đã sử dụng epitaxy chùm phân tử pha khí (GSMBE) để nuôi cấy lớp epitaxy InAlAs-InGaAs-InP. Lớp InAlAs cho thấy các đặc tính điện trở suất cao và các điều kiện nuôi cấy được tối ưu hóa bằng phép đo nhiễu xạ tia X, do đó độ không khớp mạng giữa các lớp InGaAs và InAlAs nằm trong phạm vi 1×10⁻³. Điều này dẫn đến hiệu suất thiết bị được tối ưu hóa với dòng điện tối dưới 0,75 pA/μm² ở 10 V và phản ứng thoáng qua nhanh lên đến 16 ps ở 5 V. Nhìn chung, bộ tách sóng quang có cấu trúc MSM đơn giản và dễ tích hợp, cho thấy dòng điện tối thấp (cấp pA), nhưng điện cực kim loại sẽ làm giảm diện tích hấp thụ ánh sáng hiệu dụng của thiết bị, do đó phản ứng thấp hơn các cấu trúc khác.

Bộ tách sóng quang PIN InGaAs chèn một lớp nội tại giữa lớp tiếp xúc loại P và lớp tiếp xúc loại N, như thể hiện trong Hình (b), làm tăng chiều rộng của vùng nghèo, do đó phát ra nhiều cặp electron-lỗ trống hơn và tạo thành dòng quang lớn hơn, do đó 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 đã được sử dụng để tích hợp cấu trúc PIN InGaAs trên đế InP và khả năng phản hồi của thiết bị là khoảng 0,57A /W. Năm 2011, Phòng thí nghiệm nghiên cứu quân đội (ALR) đã sử dụng bộ tách sóng quang PIN để nghiên cứu máy ảnh LiDAR phục vụ mục đích dẫn đường, tránh chướng ngại vật/va chạm và phát hiện/nhận dạng mục tiêu tầm ngắn cho các phương tiện mặt đất không người lái nhỏ, được tích hợp với chip khuếch đại vi sóng giá rẻ giúp cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang PIN InGaAs. Trên cơ sở đó, 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 động 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 lở tuyết và nhân lên các hạt mang không cân bằng trong vật liệu. Năm 2013, George M đã sử dụng MBE để nuôi cấy hợp kim InGaAs và InAlAs ghép mạng trên đế InP, sử dụng các thay đổi về thành phần hợp kim, độ dày lớp epitaxial và pha tạp vào năng lượng hạt mang được điều chế để tối đa hóa quá trình ion hóa sốc điện đồng thời giảm thiểu quá trình ion hóa lỗ trống. Ở độ lợi tín hiệu đầu ra tương đương, APD cho thấy nhiễu thấp hơn và dòng tối thấp hơn. Năm 2016, Sun Jianfeng và cộng sự đã chế tạo một bộ nền tảng thí nghiệm hình ảnh chủ động bằng laser 1570 nm dựa trên bộ tách sóng quang lở tuyết InGaAs. Mạch bên trong củaBộ tách sóng quang APDTiếng vang nhận được và trực tiếp xuất tín hiệu kỹ thuật số, làm cho toàn bộ thiết bị nhỏ gọn. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong HÌNH (d) và (e). Hình (d) là ảnh chụp vật lý của mục tiêu chụp ảnh và Hình (e) là ảnh chụp khoảng cách ba chiều. Có thể thấy rõ ràng rằng vùng cửa sổ của vùng c có khoảng cách sâu nhất định với vùng A và b. Nền tảng này nhận ra độ rộng xung nhỏ hơn 10 ns, năng lượng xung đơn (1 ~ 3) mJ có thể điều chỉnh, góc trường thấu kính thu là 2°, tần số lặp lại là 1 kHz, tỷ lệ nhiệm vụ của máy dò khoảng 60%. Nhờ độ lợi dòng quang bên trong của APD, phản ứng nhanh, kích thước nhỏ gọn, độ bền và chi phí thấp, máy dò quang APD có thể có tốc độ phát hiện cao hơn gấp nhiều lần so với máy dò quang PIN, do đó, LiDAR chính thống hiện nay chủ yếu do máy dò quang tuyết lở thống trị.

Nhìn chung, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ chế tạo InGaAs trong và ngoài nước, chúng ta có thể khéo léo sử dụng MBE, MOCVD, LPE và các công nghệ khác để chế tạo lớp epitaxial InGaAs chất lượng cao diện tích lớn trên đế InP. Các 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 ứng thoáng qua nhanh (cấp ps). Sự phát triển trong tương lai của các bộ tách sóng quang InGaAs sẽ tập trung vào hai khía cạnh sau: (1) Lớp epitaxial InGaAs được phát triển trực tiếp trên đế Si. Hiện nay, hầu hết các thiết bị vi điện tử trên thị trường đều dựa trên Si và xu hướng chung là sự phát triển tích hợp tiếp theo của InGaAs và dựa trên Si. Giải quyết các vấn đề như sự không khớp mạng và sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt là rất quan trọng đối với việc nghiên cứu InGaAs/Si; (2) Công nghệ bước sóng 1550 nm 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 tương thích mạng giữa đế InP và lớp epitaxial InGaAs sẽ dẫn đến sự sai lệch và khuyết tật nghiêm trọng hơn, do đó cần tối ưu hóa các thông số quy trình thiết bị, giảm khuyết tật mạng và giảm dòng tối của thiết bị.