Strwythur ffotosynhwyrydd InGaAs

StrwythurFfotosynhwyrydd InGaAs

Ers y 1980au, mae ymchwilwyr gartref a thramor wedi astudio strwythur ffotosynhwyryddion InGaAs, sydd wedi'u rhannu'n dair math yn bennaf. Nhw yw ffotosynhwyrydd metel-Lled-ddargludyddion-metel InGaAs (MSM-PD), ffotosynhwyrydd PIN InGaAs (PIN-PD), a ffotosynhwyrydd eirlithriad InGaAs (APD-PD). Mae gwahaniaethau sylweddol yn y broses weithgynhyrchu a chost ffotosynhwyryddion InGaAs gyda gwahanol strwythurau, ac mae gwahaniaethau mawr hefyd ym mherfformiad dyfeisiau.

Y metel-lled-ddargludydd-metel InGaAsffotosynhwyrydd, a ddangosir yn Ffigur (a), yn strwythur arbennig yn seiliedig ar y gyffordd Schottky. Ym 1992, defnyddiodd Shi et al. dechnoleg epitacsi cyfnod anwedd metel-organig pwysedd isel (LP-MOVPE) i dyfu haenau epitacsi a pharatoi ffotosynhwyrydd InGaAs MSM, sydd ag ymatebolrwydd uchel o 0.42 A/W ar donfedd o 1.3 μm a cherrynt tywyll yn is na 5.6 pA/μm² ar 1.5 V. Ym 1996, defnyddiodd zhang et al. epitacsi trawst moleciwlaidd cyfnod nwy (GSMBE) i dyfu'r haen epitacsi InAlAs-InGaAs-InP. Dangosodd yr haen InAlAs nodweddion gwrthiant uchel, ac optimeiddiwyd yr amodau tyfu trwy fesur diffractiad pelydr-X, fel bod y camgymhariad dellt rhwng haenau InGaAs ac InAlAs o fewn yr ystod o 1 × 10⁻³. Mae hyn yn arwain at berfformiad dyfais wedi'i optimeiddio gyda cherrynt tywyll islaw 0.75 pA/μm² ar 10 V ac ymateb dros dro cyflym hyd at 16 ps ar 5 V. Ar y cyfan, mae'r ffotosynhwyrydd strwythur MSM yn syml ac yn hawdd i'w integreiddio, gan ddangos cerrynt tywyll isel (trefn pA), ond bydd yr electrod metel yn lleihau ardal amsugno golau effeithiol y ddyfais, felly mae'r ymateb yn is nag strwythurau eraill.

Mae'r ffotosynhwyrydd PIN InGaAs yn mewnosod haen fewnol rhwng yr haen gyswllt math-P a'r haen gyswllt math-N, fel y dangosir yn Ffigur (b), sy'n cynyddu lled y rhanbarth disbyddu, gan belydru mwy o barau electron-twll a ffurfio ffotogerrynt mwy, felly mae ganddo berfformiad dargludiad electronau rhagorol. Yn 2007, defnyddiodd A.Poloczek et al. MBE i dyfu haen byffer tymheredd isel i wella garwedd yr wyneb a goresgyn yr anghydweddiad dellt rhwng Si ac InP. Defnyddiwyd MOCVD i integreiddio strwythur PIN InGaAs ar y swbstrad InP, ac roedd ymatebolrwydd y ddyfais tua 0.57A /W. Yn 2011, defnyddiodd Labordy Ymchwil y Fyddin (ALR) ffotosynhwyryddion PIN i astudio delweddydd liDAR ar gyfer llywio, osgoi rhwystrau/gwrthdrawiadau, a chanfod/adnabod targedau amrediad byr ar gyfer cerbydau daear bach heb griw, wedi'i integreiddio â sglodion mwyhadur microdon cost isel a wellodd gymhareb signal-i-sŵn y ffotosynhwyrydd PIN InGaAs yn sylweddol. Ar y sail hon, yn 2012, defnyddiodd ALR y delweddydd liDAR hwn ar gyfer robotiaid, gydag ystod canfod o fwy na 50 m a datrysiad o 256 × 128.

Yr InGaAsffotosynhwyrydd eirlithriadauyn fath o ffotosynhwyrydd gydag enillion, y dangosir ei strwythur yn Ffigur (c). Mae'r pâr electron-twll yn cael digon o egni o dan weithred y maes trydanol y tu mewn i'r rhanbarth dyblu, er mwyn gwrthdaro â'r atom, cynhyrchu parau electron-twll newydd, ffurfio effaith eirlithriad, a lluosi'r cludwyr anghydbwysedd yn y deunydd. Yn 2013, defnyddiodd George M MBE i dyfu aloion InGaAs ac InAlAs cyfatebol â dellt ar swbstrad InP, gan ddefnyddio newidiadau yng nghyfansoddiad yr aloi, trwch yr haen epitacsial, a dopio i egni cludwr wedi'i fodiwleiddio i wneud y mwyaf o ïoneiddio electrosioc wrth leihau ïoneiddio twll. Ar yr enillion signal allbwn cyfatebol, mae APD yn dangos sŵn is a cherrynt tywyll is. Yn 2016, adeiladodd Sun Jianfeng et al. set o blatfform arbrofol delweddu gweithredol laser 1570 nm yn seiliedig ar y ffotosynhwyrydd eirlithriad InGaAs. Cylched fewnolFfotosynhwyrydd APDyn derbyn adleisiau ac yn allbynnu signalau digidol yn uniongyrchol, gan wneud y ddyfais gyfan yn gryno. Dangosir y canlyniadau arbrofol yn FFIG. (d) ac (e). Mae Ffigur (d) yn llun ffisegol o'r targed delweddu, ac mae Ffigur (e) yn ddelwedd bellter tri dimensiwn. Gellir gweld yn glir bod gan ardal ffenestr ardal c bellter dyfnder penodol gydag ardal A a b. Mae'r platfform yn sylweddoli lled pwls llai na 10 ns, ynni pwls sengl (1 ~ 3) mJ addasadwy, ongl maes lens derbyn o 2°, amlder ailadrodd o 1 kHz, cymhareb dyletswydd synhwyrydd o tua 60%. Diolch i enillion ffotogyfredol mewnol APD, ymateb cyflym, maint cryno, gwydnwch a chost isel, gall ffotosynhwyryddion APD fod yn urdd maint yn uwch o ran cyfradd canfod na ffotosynhwyryddion PIN, felly mae'r liDAR prif ffrwd cyfredol yn cael ei ddominyddu'n bennaf gan ffotosynhwyryddion eirlithriad.

At ei gilydd, gyda datblygiad cyflym technoleg paratoi InGaAs gartref a thramor, gallwn ddefnyddio MBE, MOCVD, LPE a thechnolegau eraill yn fedrus i baratoi haen epitacsial InGaAs o ansawdd uchel arwynebedd mawr ar swbstrad InP. Mae ffotosynhwyryddion InGaAs yn arddangos cerrynt tywyll isel ac ymatebolrwydd uchel, mae'r cerrynt tywyll isaf yn is na 0.75 pA/μm², mae'r ymatebolrwydd mwyaf hyd at 0.57 A/W, ac mae ganddo ymateb dros dro cyflym (trefn ps). Bydd datblygiad ffotosynhwyryddion InGaAs yn y dyfodol yn canolbwyntio ar y ddau agwedd ganlynol: (1) Mae haen epitacsial InGaAs yn cael ei thyfu'n uniongyrchol ar swbstrad Si. Ar hyn o bryd, mae'r rhan fwyaf o'r dyfeisiau microelectronig yn y farchnad yn seiliedig ar Si, a'r datblygiad integredig dilynol o InGaAs a Si yw'r duedd gyffredinol. Mae datrys problemau fel anghydweddiad dellt a gwahaniaeth cyfernod ehangu thermol yn hanfodol ar gyfer astudio InGaAs/Si; (2) Mae'r dechnoleg tonfedd 1550 nm wedi aeddfedu, a'r donfedd estynedig (2.0 ~ 2.5) μm yw cyfeiriad ymchwil y dyfodol. Gyda chynnydd cydrannau In, bydd y diffyg cyfatebiaeth dellt rhwng swbstrad InP a'r haen epitacsial InGaAs yn arwain at ddadleoliad a diffygion mwy difrifol, felly mae angen optimeiddio paramedrau proses y ddyfais, lleihau'r diffygion dellt, a lleihau cerrynt tywyll y ddyfais.