Cấu trúc của bộ tách sóng quang InGaAs

Cấu trúc củaBộ tách sóng quang InGaAs
Từ những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu cấu trúc của các bộ tách sóng quang InGaAs, có thể được tóm tắt thành ba loại chính: InGaAs kim loại bán dẫn kim loạibộ tách sóng quang(MSM-PD), InGaAsđầu dò quang PIN(PIN-PD) và InGaAsmáy dò quang điện thác lũ(APD-PD). Có sự khác biệt đáng kể về quy trình sản xuất và chi phí của các bộ tách sóng quang InGaAs có cấu trúc khác nhau, và cũng có sự khác biệt đáng kể về hiệu năng của thiết bị.
Hình vẽ thể hiện sơ đồ cấu trúc của bộ tách sóng quang bán dẫn kim loại InGaAs, đây là một cấu trúc đặc biệt dựa trên mối nối Schottky. Năm 1992, Shi và cộng sự đã sử dụng công nghệ epitaxy pha hơi hữu cơ kim loại áp suất thấp (LP-MOVPE) để nuôi cấy các lớp epitaxy và chế tạo bộ tách sóng quang MSM InGaAs. Thiết bị này có độ nhạy cao là 0,42 A/W ở bước sóng 1,3 μm và dòng điện tối nhỏ hơn 5,6 pA/μm² ở 1,5 V. Năm 1996, các nhà nghiên cứu đã sử dụng epitaxy chùm phân tử pha khí (GSMBE) để nuôi cấy các lớp epitaxy InAlAsInGaAsInP, thể hiện đặc tính điện trở suất cao. Các điều kiện nuôi cấy đã được tối ưu hóa thông qua các phép đo nhiễu xạ tia X, dẫn đến sự không phù hợp mạng tinh thể giữa các lớp InGaAs và InAlAs trong phạm vi 1 × 10⁻³. Kết quả là, hiệu suất của thiết bị đã được tối ưu hóa, với dòng điện tối nhỏ hơn 0,75 pA/μm² ở 10 V và thời gian đáp ứng tức thời nhanh 16 ps ở 5 V. Nhìn chung, bộ tách sóng quang cấu trúc MSM có cấu trúc đơn giản và dễ tích hợp, thể hiện dòng điện tối thấp hơn (mức pA), nhưng điện cực kim loại làm giảm diện tích hấp thụ ánh sáng hiệu quả của thiết bị, dẫn đến độ nhạy thấp hơn so với các cấu trúc khác.

Bộ tách sóng quang PIN InGaAs có một lớp nội tại được chèn giữa lớp tiếp xúc loại P và lớp tiếp xúc loại N, như thể hiện trong hình, giúp tăng chiều rộng của vùng suy giảm, nhờ đó phát ra nhiều cặp electron-lỗ trống hơn và tạo ra dòng quang điện lớn hơn, do đó thể hiện khả năng dẫn điện tuyệt vời. Năm 2007, các nhà nghiên cứu đã sử dụng MBE để nuôi cấy các lớp đệm ở nhiệt độ thấp, cải thiện độ nhám bề mặt và khắc phục sự không khớp mạng tinh thể giữa Si và InP. Họ đã tích hợp cấu trúc PIN InGaAs trên chất nền InP bằng MOCVD, và độ nhạy của thiết bị xấp xỉ 0,57 A/W. Năm 2011, các nhà nghiên cứu đã sử dụng bộ tách sóng quang PIN để phát triển thiết bị hình ảnh LiDAR tầm ngắn cho việc điều hướng, tránh chướng ngại vật/va chạm và phát hiện/nhận dạng mục tiêu của các phương tiện mặt đất không người lái cỡ nhỏ. Thiết bị này được tích hợp với chip khuếch đại vi sóng giá rẻ, cải thiện đáng kể tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của bộ tách sóng quang PIN InGaAs. Trên cơ sở đó, vào năm 2012, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng thiết bị chụp ảnh LiDAR này vào robot, với phạm vi phát hiện hơn 50 mét và độ phân giải được nâng lên 256 × 128.
Bộ tách sóng quang thác InGaAs là một loại bộ tách sóng quang có độ khuếch đại, như thể hiện trong sơ đồ cấu trúc. Các cặp electron-lỗ trống thu được đủ năng lượng dưới tác dụng của điện trường bên trong vùng nhân đôi, và va chạm với các nguyên tử để tạo ra các cặp electron-lỗ trống mới, tạo thành hiệu ứng thác và nhân đôi các hạt tải điện không cân bằng trong vật liệu. Năm 2013, các nhà nghiên cứu đã sử dụng MBE để nuôi cấy hợp kim InGaAs và InAlAs phù hợp với mạng tinh thể trên chất nền InP, điều chỉnh năng lượng hạt tải điện thông qua thay đổi thành phần hợp kim, độ dày lớp màng mỏng và pha tạp, tối đa hóa sự ion hóa do sốc điện trong khi giảm thiểu sự ion hóa lỗ trống. Với độ khuếch đại tín hiệu đầu ra tương đương, APD thể hiện độ nhiễu thấp và dòng điện tối thấp hơn. Năm 2016, các nhà nghiên cứu đã xây dựng một nền tảng thí nghiệm hình ảnh chủ động bằng laser 1570 nm dựa trên bộ tách sóng quang thác InGaAs. Mạch bên trong của...bộ 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 trong Vùng C có khoảng cách độ sâu nhất định so 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 nhìn 2° cho thấu kính phát và nhận, tần số lặp lại 1 kHz và chu kỳ hoạt động của bộ dò khoảng 60%. Nhờ vào độ khuếch đại dòng quang bên trong, phản hồi nhanh, kích thước nhỏ gọn, độ bền và chi phí thấp của APD, bộ dò quang APD có thể đạt được tỷ lệ phát hiện cao hơn một bậc so với bộ dò quang PIN. Do đó, hiện nay radar laser chủ đạo chủ yếu sử dụng bộ dò quang thác lũ.