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 các bộ tách sóng quang InGaAs, chủ yếu được chia thành ba loại. Đó 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 thác lũ InGaAs (APD-PD). Có sự khác biệt đáng kể về quy trình chế tạo và chi phí của các bộ tách sóng quang InGaAs có cấu trúc khác nhau, và hiệu năng của thiết bị cũng có sự khác biệt lớn.

Cấu trúc kim loại-bán dẫn-kim loại InGaAsbộ tách sóng quangNhư thể hiện trong Hình (a), đây là một cấu trúc đặc biệt dựa trên mối nối Schottky. Năm 1992, Shi et al. 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 nhạy cao là 0,42 A/W ở bước sóng 1,3 μm và dòng điện tối thấp hơn 5,6 pA/μm² ở 1,5 V. Năm 1996, Zhang et al. đã sử dụng epitaxy chùm phân tử pha khí (GSMBE) để nuôi cấy lớp epitaxy InAlAs-InGaAs-InP. Lớp InAlAs thể hiện đặc tính điện trở suất cao, và các điều kiện nuôi cấy đã được tối ưu hóa bằng phép đo nhiễu xạ tia X, sao cho độ lệch mạng tinh thể giữa các lớp InGaAs và InAlAs nằm trong phạm vi 1×10⁻³. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất thiết bị với dòng điện tối dưới 0,75 pA/μm² ở 10 V và thời gian 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, cho thấy dòng điện tối thấp (ở mức pA), nhưng điện cực kim loại sẽ làm giảm diện tích hấp thụ ánh sáng hiệu quả của thiết bị, do đó thời gian phản hồi thấp hơn so với 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), giúp tăng chiều rộng của vùng suy giảm, do đó phát ra nhiều cặp electron-lỗ trống hơn và tạo ra dòng quang điện lớn hơn, vì vậy nó có hiệu suất dẫn điện tử tuyệt vời. Năm 2007, A.Poloczek và cộng sự đã sử dụng MBE để nuôi cấy một lớp đệm ở nhiệt độ thấp nhằm cải thiện độ nhám bề mặt và khắc phục sự không phù hợp mạng tinh thể giữa Si và InP. MOCVD được sử dụng để tích hợp cấu trúc PIN InGaAs trên chất nền InP, và độ nhạy 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 một thiết bị chụp ảnh liDAR cho việc 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 một 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, 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.

Vật liệu InGaAsmáy dò quang điện thác lũlà một loại máy dò quang có độ khuếch đại, 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 thác lũ và nhân lên các hạt tải điện không cân bằng trong vật liệu. Năm 2013, George M đã sử dụng MBE để nuôi cấy hợp kim InGaAs và InAlAs phù hợp với mạng tinh thể trên chất nền InP, sử dụng các thay đổi trong thành phần hợp kim, độ dày lớp màng mỏng và pha tạp để điều chỉnh năng lượng hạt tải điện nhằm tối đa hóa sự ion hóa do sốc điện trong khi giảm thiểu sự ion hóa lỗ trống. Ở mức khuếch đại tín hiệu đầu ra tương đương, APD cho thấy độ nhiễu thấp hơn và dòng điện tối thấp hơn. Năm 2016, Sun Jianfeng và cộng sự đã xây dựng một bộ nền tảng thí nghiệm hình ảnh chủ động bằng laser 1570 nm dựa trên máy dò quang thác lũ InGaAs. Mạch bên trong củabộ tách sóng quang APDThiết bị thu nhận tín hiệu phản hồi và trực tiếp xuất ra tín hiệu số, giúp toàn bộ thiết bị trở nên nhỏ gọn. Kết quả thực nghiệm được thể hiện trong Hình (d) và (e). Hình (d) là ảnh chụp vật lý của mục tiêu hình ảnh, và Hình (e) là ảnh khoảng cách ba chiều. Có thể thấy rõ rằng vùng cửa sổ c có khoảng cách độ sâu nhất định với vùng A và b. Nền tảng này đạt được độ rộng xung nhỏ hơn 10 ns, năng lượng xung đơn có thể điều chỉnh (1 ~ 3) mJ, góc trường thấu kính thu là 2°, tần số lặp lại là 1 kHz, tỷ lệ chu kỳ hoạt động của bộ dò khoảng 60%. Nhờ khả năng khuếch đại dòng quang điện bên trong, phản hồi nhanh, kích thước nhỏ gọn, độ bền và chi phí thấp của APD, bộ dò quang APD có thể đạt tốc độ phát hiện cao hơn một bậc so với bộ dò quang PIN, do đó, LiDAR hiện nay chủ yếu sử dụng bộ dò quang thác lũ.

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 các công nghệ MBE, MOCVD, LPE và các công nghệ khác để chế tạo lớp màng mỏng InGaAs chất lượng cao trên diện tích lớn trên chất nền InP. Các bộ tách sóng quang InGaAs thể hiện dòng điện tối thấp và độ nhạy cao, dòng điện tối thấp nhất thấp hơn 0,75 pA/μm², độ nhạy tối đa lên đến 0,57 A/W và có phản ứng chuyển tiếp nhanh (bậc ps). Sự phát triển trong tương lai của các bộ tách sóng quang InGaAs sẽ tập trung vào hai khía cạnh sau: (1) Lớp màng mỏng InGaAs được nuôi cấy trực tiếp trên chất nền Si. Hiện nay, hầu hết các thiết bị vi điện tử trên thị trường đều dựa trên Si, và xu hướng chung là phát triển tích hợp InGaAs và Si. Giải quyết các vấn đề như sự không phù hợp mạng tinh thể và sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt là rất quan trọng đối với 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 các thành phần In, sự không phù hợp mạng tinh thể giữa chất nền InP và lớp màng mỏng InGaAs sẽ dẫn đến sự lệch mạng và khuyết tật nghiêm trọng hơn, do đó cần phải tối ưu hóa các thông số quy trình thiết bị, giảm các khuyết tật mạng tinh thể và giảm dòng điện tối của thiết bị.