ໂຄງສ້າງຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs

ໂຄງສ້າງຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs

ນັບຕັ້ງແຕ່ຊຸມປີ 1980, ນັກຄົ້ນຄວ້າທັງພາຍໃນ ແລະ ຕ່າງປະເທດໄດ້ສຶກສາໂຄງສ້າງຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs, ເຊິ່ງສ່ວນໃຫຍ່ແບ່ງອອກເປັນສາມປະເພດ. ພວກມັນແມ່ນເຄື່ອງກວດຈັບແສງໂລຫະ-ເຄິ່ງຕົວນຳ-ໂລຫະ InGaAs (MSM-PD), ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ PIN InGaAs (PIN-PD), ແລະ ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ Avalanche InGaAs (APD-PD). ມີຄວາມແຕກຕ່າງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍໃນຂະບວນການຜະລິດ ແລະ ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs ທີ່ມີໂຄງສ້າງທີ່ແຕກຕ່າງກັນ, ແລະ ຍັງມີຄວາມແຕກຕ່າງຢ່າງຫຼວງຫຼາຍໃນປະສິດທິພາບຂອງອຸປະກອນ.

ໂລຫະ-ເຄິ່ງຕົວນຳ-ໂລຫະ InGaAsເຄື່ອງກວດຈັບແສງ, ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ (a), ເປັນໂຄງສ້າງພິເສດໂດຍອີງໃສ່ຈຸດຕໍ່ Schottky. ໃນປີ 1992, Shi ແລະ ເພື່ອນຮ່ວມງານໄດ້ໃຊ້ເຕັກໂນໂລຊີ epitaxy ໄລຍະໄອນ້ຳໂລຫະ-ອິນຊີຄວາມດັນຕ່ຳ (LP-MOVPE) ເພື່ອປູກຊັ້ນ epitaxy ແລະ ໄດ້ກະກຽມເຄື່ອງກວດຈັບແສງ MSM InGaAs, ເຊິ່ງມີການຕອບສະໜອງສູງ 0.42 A/W ທີ່ຄວາມຍາວຄື້ນ 1.3 μm ແລະ ກະແສໄຟຟ້າມືດຕ່ຳກວ່າ 5.6 pA/μm² ທີ່ 1.5 V. ໃນປີ 1996, zhang ແລະ ເພື່ອນຮ່ວມງານໄດ້ໃຊ້ epitaxy ລຳແສງໂມເລກຸນໄລຍະແກັສ (GSMBE) ເພື່ອປູກຊັ້ນ epitaxy InAlAs-InGaAs-InP. ຊັ້ນ InAlAs ສະແດງໃຫ້ເຫັນລັກສະນະຄວາມຕ້ານທານສູງ, ແລະ ເງື່ອນໄຂການເຕີບໂຕໄດ້ຖືກປັບປຸງໃຫ້ດີທີ່ສຸດໂດຍການວັດແທກການກະຈາຍລັງສີ X, ດັ່ງນັ້ນຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງໂຄງສ້າງລະຫວ່າງຊັ້ນ InGaAs ແລະ InAlAs ແມ່ນຢູ່ໃນຂອບເຂດ 1 × 10⁻³. ສິ່ງນີ້ເຮັດໃຫ້ປະສິດທິພາບຂອງອຸປະກອນທີ່ດີທີ່ສຸດດ້ວຍກະແສໄຟຟ້າມືດຕ່ຳກວ່າ 0.75 pA/μm² ທີ່ 10 V ແລະ ການຕອບສະໜອງຊົ່ວຄາວໄວເຖິງ 16 ps ທີ່ 5 V. ໂດຍລວມແລ້ວ, ເຄື່ອງກວດຈັບແສງໂຄງສ້າງ MSM ແມ່ນງ່າຍດາຍ ແລະ ງ່າຍຕໍ່ການລວມເຂົ້າກັນ, ສະແດງໃຫ້ເຫັນກະແສໄຟຟ້າມືດຕ່ຳ (ລຳດັບ pA), ແຕ່ເອເລັກໂຕຣດໂລຫະຈະຫຼຸດພື້ນທີ່ການດູດຊຶມແສງທີ່ມີປະສິດທິພາບຂອງອຸປະກອນ, ດັ່ງນັ້ນການຕອບສະໜອງຈຶ່ງຕ່ຳກວ່າໂຄງສ້າງອື່ນໆ.

ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ PIN ຂອງ InGaAs ໃສ່ຊັ້ນພາຍໃນລະຫວ່າງຊັ້ນຕິດຕໍ່ປະເພດ P ແລະຊັ້ນຕິດຕໍ່ປະເພດ N, ດັ່ງທີ່ສະແດງຢູ່ໃນຮູບ (b), ເຊິ່ງເພີ່ມຄວາມກວ້າງຂອງພື້ນທີ່ depletion, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງແຜ່ກະຈາຍຄູ່ຮູອີເລັກຕຣອນຫຼາຍຂຶ້ນ ແລະ ສ້າງກະແສແສງທີ່ໃຫຍ່ກວ່າ, ສະນັ້ນມັນມີປະສິດທິພາບການນຳໄຟຟ້າທີ່ດີເລີດ. ໃນປີ 2007, A.Poloczek ແລະ ເພື່ອນຮ່ວມງານໄດ້ໃຊ້ MBE ເພື່ອປູກຊັ້ນບັຟເຟີອຸນຫະພູມຕ່ຳເພື່ອປັບປຸງຄວາມຫຍາບຂອງພື້ນຜິວ ແລະ ເອົາຊະນະຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງໂຄງຮ່າງລະຫວ່າງ Si ແລະ InP. MOCVD ໄດ້ຖືກນໍາໃຊ້ເພື່ອປະສົມປະສານໂຄງສ້າງ PIN ຂອງ InGaAs ໃສ່ຊັ້ນຮອງພື້ນ InP, ແລະການຕອບສະໜອງຂອງອຸປະກອນແມ່ນປະມານ 0.57A /W. ໃນປີ 2011, ຫ້ອງທົດລອງຄົ້ນຄວ້າກອງທັບ (ALR) ໄດ້ໃຊ້ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ PIN ເພື່ອສຶກສາເຄື່ອງສ້າງພາບ liDAR ສໍາລັບການນໍາທາງ, ການຫຼີກລ່ຽງອຸປະສັກ/ການປະທະ, ແລະການກວດຈັບ/ການກໍານົດເປົ້າໝາຍໄລຍະສັ້ນສໍາລັບຍານພາຫະນະພື້ນດິນທີ່ບໍ່ມີຄົນຂັບຂະໜາດນ້ອຍ, ປະສົມປະສານກັບຊິບເຄື່ອງຂະຫຍາຍສັນຍານໄມໂຄເວຟລາຄາຖືກທີ່ປັບປຸງອັດຕາສ່ວນສັນຍານຕໍ່ສຽງລົບກວນຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ PIN ຂອງ InGaAs ຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ. ບົນພື້ນຖານນີ້, ໃນປີ 2012, ALR ໄດ້ໃຊ້ເຄື່ອງຖ່າຍພາບ liDAR ນີ້ສຳລັບຫຸ່ນຍົນ, ເຊິ່ງມີລະດັບການກວດພົບຫຼາຍກວ່າ 50 ແມັດ ແລະ ຄວາມລະອຽດ 256 × 128.

ອິນກາອາສເຄື່ອງກວດຈັບແສງຫິມະຖະຫຼົ່ມເປັນເຄື່ອງກວດຈັບແສງຊະນິດໜຶ່ງທີ່ມີການຂະຫຍາຍ, ໂຄງສ້າງຂອງມັນສະແດງຢູ່ໃນຮູບ (c). ຄູ່ຮູເອເລັກຕຣອນໄດ້ຮັບພະລັງງານພຽງພໍພາຍໃຕ້ການກະທຳຂອງສະໜາມໄຟຟ້າພາຍໃນພາກພື້ນທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນສອງເທົ່າ, ເພື່ອປະທະກັບອະຕອມ, ສ້າງຄູ່ຮູເອເລັກຕຣອນໃໝ່, ສ້າງຜົນກະທົບຂອງຫິມະຖະຫຼົ່ມ, ແລະຄູນຕົວນຳທີ່ບໍ່ສົມດຸນໃນວັດສະດຸ. ໃນປີ 2013, George M ໄດ້ໃຊ້ MBE ເພື່ອປູກໂລຫະປະສົມ InGaAs ແລະ InAlAs ທີ່ກົງກັບໂຄງສ້າງໃນຊັ້ນຮອງ InP, ໂດຍໃຊ້ການປ່ຽນແປງໃນສ່ວນປະກອບຂອງໂລຫະປະສົມ, ຄວາມໜາຂອງຊັ້ນ epitaxial, ແລະການໃຊ້ພະລັງງານຕົວນຳທີ່ປັບປ່ຽນເພື່ອເພີ່ມການໄອອອນໄຟຟ້າຊັອກສູງສຸດໃນຂະນະທີ່ຫຼຸດຜ່ອນການໄອອອນຂອງຮູ. ທີ່ການຂະຫຍາຍສັນຍານຜົນຜະລິດທຽບເທົ່າ, APD ສະແດງໃຫ້ເຫັນສຽງລົບກວນຕ່ຳ ແລະ ກະແສມືດຕ່ຳ. ໃນປີ 2016, Sun Jianfeng ແລະ ເພື່ອນຮ່ວມງານໄດ້ສ້າງຊຸດແພລດຟອມທົດລອງການຖ່າຍພາບເລເຊີ 1570 nm ໂດຍອີງໃສ່ເຄື່ອງກວດຈັບແສງຫິມະຖະຫຼົ່ມ InGaAs. ວົງຈອນພາຍໃນຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ APDໄດ້ຮັບສຽງສະທ້ອນ ແລະ ສົ່ງອອກສັນຍານດິຈິຕອນໂດຍກົງ, ເຮັດໃຫ້ອຸປະກອນທັງໝົດມີຂະໜາດກະທັດຮັດ. ຜົນການທົດລອງສະແດງຢູ່ໃນຮູບ (d) ແລະ (e). ຮູບ (d) ແມ່ນຮູບຖ່າຍທາງກາຍະພາບຂອງເປົ້າໝາຍການຖ່າຍພາບ, ແລະ ຮູບ (e) ແມ່ນຮູບພາບໄລຍະທາງສາມມິຕິ. ສາມາດເຫັນໄດ້ຢ່າງຊັດເຈນວ່າພື້ນທີ່ປ່ອງຢ້ຽມຂອງພື້ນທີ່ c ມີໄລຍະຫ່າງຄວາມເລິກທີ່ແນ່ນອນກັບພື້ນທີ່ A ແລະ b. ແພລດຟອມຮັບຮູ້ຄວາມກວ້າງຂອງກຳມະຈອນໜ້ອຍກວ່າ 10 ns, ພະລັງງານກຳມະຈອນດຽວ (1 ~ 3) mJ ສາມາດປັບໄດ້, ມຸມສະໜາມເລນຮັບ 2°, ຄວາມຖີ່ຊ້ຳ 1 kHz, ອັດຕາສ່ວນໜ້າທີ່ຂອງເຄື່ອງກວດຈັບປະມານ 60%. ຂໍຂອບໃຈກັບການຂະຫຍາຍກະແສແສງພາຍໃນຂອງ APD, ການຕອບສະໜອງໄວ, ຂະໜາດກະທັດຮັດ, ຄວາມທົນທານ ແລະ ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕ່ຳ, ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ APD ສາມາດມີອັດຕາການກວດຈັບສູງກວ່າເຄື່ອງກວດຈັບແສງ PIN, ດັ່ງນັ້ນ liDAR ຫຼັກໃນປະຈຸບັນສ່ວນໃຫຍ່ແມ່ນຖືກຄອບງຳໂດຍເຄື່ອງກວດຈັບແສງ avalanche.

ໂດຍລວມແລ້ວ, ດ້ວຍການພັດທະນາຢ່າງວ່ອງໄວຂອງເຕັກໂນໂລຊີການກະກຽມ InGaAs ທັງພາຍໃນ ແລະ ຕ່າງປະເທດ, ພວກເຮົາສາມາດໃຊ້ MBE, MOCVD, LPE ແລະ ເຕັກໂນໂລຊີອື່ນໆໄດ້ຢ່າງຊ່ຽວຊານເພື່ອກະກຽມຊັ້ນ epitaxial InGaAs ທີ່ມີຄຸນນະພາບສູງໃນພື້ນທີ່ຂະໜາດໃຫຍ່ເທິງຊັ້ນຮອງພື້ນ InP. ເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs ສະແດງໃຫ້ເຫັນກະແສໄຟຟ້າມືດຕ່ຳ ແລະ ການຕອບສະໜອງສູງ, ກະແສໄຟຟ້າມືດຕ່ຳສຸດແມ່ນຕ່ຳກວ່າ 0.75 pA/μm², ການຕອບສະໜອງສູງສຸດແມ່ນສູງເຖິງ 0.57 A/W, ແລະ ມີການຕອບສະໜອງຊົ່ວຄາວໄວ (ລຳດັບ ps). ການພັດທະນາໃນອະນາຄົດຂອງເຄື່ອງກວດຈັບແສງ InGaAs ຈະສຸມໃສ່ສອງດ້ານຕໍ່ໄປນີ້: (1) ຊັ້ນ epitaxial InGaAs ແມ່ນປູກໂດຍກົງເທິງຊັ້ນຮອງພື້ນ Si. ໃນປະຈຸບັນ, ອຸປະກອນເອເລັກໂຕຣນິກຂະໜາດນ້ອຍສ່ວນໃຫຍ່ໃນຕະຫຼາດແມ່ນອີງໃສ່ Si, ແລະ ການພັດທະນາແບບປະສົມປະສານຕໍ່ມາຂອງ InGaAs ແລະ Si ແມ່ນແນວໂນ້ມທົ່ວໄປ. ການແກ້ໄຂບັນຫາຕ່າງໆເຊັ່ນ: ຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງໂຄງສ້າງ ແລະ ຄວາມແຕກຕ່າງຂອງສຳປະສິດການຂະຫຍາຍຕົວທາງຄວາມຮ້ອນແມ່ນມີຄວາມສຳຄັນຫຼາຍສຳລັບການສຶກສາ InGaAs/Si; (2) ເຕັກໂນໂລຊີຄວາມຍາວຄື້ນ 1550 nm ໄດ້ພັດທະນາແລ້ວ, ແລະຄວາມຍາວຄື້ນທີ່ຂະຫຍາຍອອກ (2.0 ~ 2.5) μm ແມ່ນທິດທາງການຄົ້ນຄວ້າໃນອະນາຄົດ. ດ້ວຍການເພີ່ມຂຶ້ນຂອງອົງປະກອບ In, ຄວາມບໍ່ກົງກັນຂອງໂຄງສ້າງລະຫວ່າງຊັ້ນຮອງພື້ນ InP ແລະຊັ້ນ epitaxial InGaAs ຈະນໍາໄປສູ່ການເຄື່ອນທີ່ແລະຂໍ້ບົກຜ່ອງທີ່ຮ້າຍແຮງກວ່າເກົ່າ, ສະນັ້ນມັນຈຶ່ງຈໍາເປັນຕ້ອງປັບປຸງຕົວກໍານົດຂະບວນການຂອງອຸປະກອນໃຫ້ດີທີ່ສຸດ, ຫຼຸດຜ່ອນຂໍ້ບົກຜ່ອງຂອງໂຄງສ້າງ, ແລະຫຼຸດຜ່ອນກະແສມືດຂອງອຸປະກອນ.