Uppbygging InGaAs ljósnema

UppbyggingInGaAs ljósnemi

Frá níunda áratugnum hafa vísindamenn heima og erlendis rannsakað uppbyggingu InGaAs ljósnema, sem aðallega skiptast í þrjár gerðir. Þeir eru InGaAs málm-hálfleiðari-málm ljósnemi (MSM-PD), InGaAs PIN ljósnemi (PIN-PD) og InGaAs snjóflóðaljósnemi (APD-PD). Það er verulegur munur á framleiðsluferli og kostnaði við InGaAs ljósnema með mismunandi uppbyggingu, og það er einnig mikill munur á afköstum tækja.

InGaAs málm-hálfleiðari-málmurljósnemi, sem sýnt er á mynd (a), er sérstök uppbygging byggð á Schottky-tengingu. Árið 1992 notuðu Shi o.fl. lágþrýstings málm-lífræna gufufasa epitaxíutækni (LP-MOVPE) til að rækta epitaxísk lög og bjuggu til InGaAs MSM ljósnema, sem hefur mikla svörun upp á 0,42 A/W við bylgjulengd 1,3 μm og dökkstraum lægri en 5,6 pA/μm² við 1,5 V. Árið 1996 notuðu zhang o.fl. gasfasa sameindageisla epitaxíu (GSMBE) til að rækta InAlAs-InGaAs-InP epitaxískt lag. InAlAs lagið sýndi mikla viðnámseiginleika og vaxtarskilyrðin voru fínstillt með röntgengeislunarmælingum, þannig að grindarmisræmið milli InGaAs og InAlAs laga var innan við bilið 1×10⁻³. Þetta leiðir til bestu mögulegrar afköstar tækisins með dökkstraumi undir 0,75 pA/μm² við 10 V og hraðri tímabundinni svörun allt að 16 ps við 5 V. Í heildina er ljósneminn í MSM-byggingunni einfaldur og auðveldur í samþættingu og sýnir lágan dökkstraum (pA-röð), en málmrafskautið mun draga úr virku ljósgleypnisflatarmáli tækisins, þannig að svörunin er lægri en í öðrum byggingum.

InGaAs PIN ljósneminn setur innra lag á milli P-gerðar snertilagsins og N-gerðar snertilagsins, eins og sýnt er á mynd (b), sem eykur breidd eyðingarsvæðisins, geislar þannig frá sér fleiri rafeinda-holupörum og myndar stærri ljósstraum, þannig að hann hefur framúrskarandi rafeindaleiðni. Árið 2007 notuðu A.Poloczek o.fl. MBE til að rækta lághitastigsstuðpúðalag til að bæta yfirborðsgrófleika og vinna bug á grindarmisræmi milli Si og InP. MOCVD var notað til að samþætta InGaAs PIN uppbyggingu á InP undirlagið og svörun tækisins var um 0,57A/W. Árið 2011 notaði rannsóknarstofa hersins (ALR) PIN ljósnema til að rannsaka liDAR myndgreiningu fyrir leiðsögn, forvarnir gegn hindrunum/árekstrum og greiningu/auðkenningu skammdrægra skotmarka fyrir lítil ómönnuð jarðökutæki, samþætt við ódýran örbylgjumagnaraflís sem bætti verulega merkis-til-hávaða hlutfall InGaAs PIN ljósnemans. Á þessum grundvelli notaði ALR þessa liDAR myndgreiningu fyrir vélmenni árið 2012, með greiningardrægni upp á meira en 50 m og upplausn upp á 256 × 128.

InGaAssnjóflóðaljósnemier eins konar ljósnemi með hagnaði, en uppbygging hans er sýnd á mynd (c). Rafeinda-holu parið fær næga orku undir áhrifum rafsviðsins innan tvöföldunarsvæðisins til að rekast á atómið, mynda ný rafeinda-holu pör, mynda snjóflóðsáhrif og margfalda ójafnvægisflutningsefni í efninu. Árið 2013 notaði George M. MBE til að rækta grindarsamsvarandi InGaAs og InAlAs málmblöndur á InP undirlagi, með því að nota breytingar á málmblöndusamsetningu, þykkt epitaxial lagsins og efnablöndun til að stýra orku flutningsefnisins til að hámarka rafstuðs jónun og lágmarka holu jónun. Við jafngilda útgangsmerkishagnað sýnir APD minni hávaða og minni dökkstraum. Árið 2016 smíðuðu Sun Jianfeng o.fl. sett af 1570 nm leysigeislavirkri myndgreiningartilraunapalli byggðum á InGaAs snjóflóðsljósnemanum. Innri hringrásin íAPD ljósnemiTekur á móti bergmálum og sendir beint frá sér stafræn merki, sem gerir allt tækið þéttara. Tilraunaniðurstöðurnar eru sýndar á mynd (d) og (e). Mynd (d) er raunveruleg ljósmynd af myndgreiningarmarkmiðinu og mynd (e) er þrívíddarmynd af fjarlægð. Það sést greinilega að gluggasvæðið á svæði c hefur ákveðna dýptarfjarlægð við svæði A og b. Vettvangurinn nær púlsbreidd minni en 10 ns, stillanlegri orku staks púls (1 ~ 3) mJ, 2° horni móttökulinsu, 1 kHz endurtekningartíðni og um 60% skylduhlutfalli skynjarans. Þökk sé innri ljósstraumsaukningu APD, hraðri svörun, þéttri stærð, endingu og lágum kostnaði geta APD ljósnemar verið mun hærri í greiningartíðni en PIN ljósnemar, þannig að núverandi almennir liDAR eru aðallega snjóflóðaljósnemar.

Almennt séð, með hraðri þróun InGaAs undirbúningstækni heima og erlendis, getum við notað MBE, MOCVD, LPE og aðrar tæknilausnir á skilvirkan hátt til að búa til stórt svæði af hágæða InGaAs epitaxiallagi á InP undirlagi. InGaAs ljósnemar sýna lágan dökkstraum og mikla svörun, lægsti dökkstraumurinn er lægri en 0,75 pA/μm², hámarkssvörunin er allt að 0,57 A/W og hefur hraðvirka tímabundna svörun (ps röð). Framtíðarþróun InGaAs ljósnema mun einbeita sér að eftirfarandi tveimur þáttum: (1) InGaAs epitaxiallagið er ræktað beint á Si undirlagi. Eins og er eru flest ör-rafeindatæki á markaðnum Si-byggð og síðari samþætt þróun InGaAs og Si-byggðra er almenna stefnan. Að leysa vandamál eins og misræmi í grindum og mismun á varmaþenslustuðli er mikilvægt fyrir rannsóknir á InGaAs/Si; (2) 1550 nm bylgjulengdartæknin hefur þroskast og lengri bylgjulengd (2,0 ~ 2,5) μm er framtíðarrannsóknarstefna. Með aukningu á In-þáttum mun grindarósamræmið milli InP undirlagsins og InGaAs epitaxiallagsins leiða til alvarlegri tilfærslu og galla, þannig að nauðsynlegt er að hámarka ferlisbreytur tækisins, draga úr grindargöllum og draga úr myrkrastraumi tækisins.