RakenneInGaAs-fotodetektori
Tutkijat ovat 1980-luvulta lähtien tutkineet InGaAs-fotodetektorien rakennetta, joka voidaan tiivistää kolmeen päätyyppiin: InGaAs-metalli, puolijohde, metallivaloilmaisimet(MSM-PD), InGaAsPIN-valoilmaisimet(PIN-PD) ja InGaAslumivyöryvaloilmaisimet(APD-PD). Eri rakenteisten InGaAs-fotodetektorien tuotantoprosessissa ja kustannuksissa on merkittäviä eroja, ja myös laitteiden suorituskyvyssä on merkittäviä eroja.
Kuvassa on esitetty kaaviokuva InGaAs-metallipuolijohdemetallifotodetektorin rakenteesta, joka on Schottky-liitokseen perustuva erikoisrakenne. Vuonna 1992 Shi et al. käyttivät matalapaineista metalliorgaanista höyryfaasiepitaksiaa (LP-MOVPE) epitaksiaalikerrosten kasvattamiseen ja InGaAs MSM -fotodetektorien valmistukseen. Laitteen herkkyys on korkea, 0,42 A/W, aallonpituudella 1,3 μm, ja pimeävirta on alle 5,6 pA/μm² 1,5 V:n jännitteellä. Vuonna 1996 tutkijat käyttivät kaasufaasimolekyylisuihkuepitaksiaa (GSMBE) InAlAs-InGaAs-InP-epitaksiaalikerrosten kasvattamiseen, joilla oli korkea resistiivisyys. Kasvuolosuhteet optimoitiin röntgendiffraktiomittauksilla, mikä johti InGaAs- ja InAlAs-kerrosten väliseen hilaepäsuhtaan 1 × 10⁻³:n alueella. Tämän seurauksena laitteen suorituskykyä optimoitiin, pimeävirran ollessa alle 0,75 pA/μm² 10 V:n jännitteellä ja nopean transienttivasteen ollessa 16 ps 5 V:n jännitteellä. Kaiken kaikkiaan MSM-rakenteen omaavalla fotodetektorilla on yksinkertainen ja helppo integroida rakenne, jolla on alhaisempi pimeävirta (pA-taso), mutta metallielektrodi pienentää laitteen tehokasta valon absorptiopinta-alaa, mikä johtaa alhaisempaan vasteaikaan verrattuna muihin rakenteisiin.
InGaAs PIN -fotodetektorissa on kuvassa esitetyllä tavalla P- ja N-tyyppisten kontaktikerrosten väliin asetettu sisäinen kerros, joka kasvattaa ehtymisalueen leveyttä, jolloin se säteilee enemmän elektroniaukkopareja ja muodostaa suuremman fotovirran, mikä osoittaa erinomaista sähkönjohtavuutta. Vuonna 2007 tutkijat käyttivät MBE:tä kasvattaakseen matalan lämpötilan puskurikerroksia, parantaen pinnan karheutta ja poistaen piin ja inpin välisen hilaepäsuhdan. He integroivat InGaAs PIN -rakenteita InP-alustoille MOCVD-menetelmällä, ja laitteen vasteaika oli noin 0,57 A/W. Vuonna 2011 tutkijat käyttivät PIN-fotodetektoreita kehittääkseen lyhyen kantaman LiDAR-kuvantamislaitteen navigointiin, esteiden/törmäysten välttämiseen ja pienten miehittämättömien maa-alusten kohteiden havaitsemiseen/tunnistamiseen. Laite integroitiin edulliseen mikroaaltovhvistinpiiriin, mikä paransi merkittävästi InGaAs PIN -fotodetektorien signaali-kohinasuhdetta. Tämän perusteella tutkijat sovelsivat tätä LiDAR-kuvantamislaitetta robotteihin vuonna 2012, ja sen havaitsemisalue oli yli 50 metriä ja resoluutio nostettiin 256 × 128:aan.
InGaAs-lumivyöryfotodetektori on vahvistuksella varustettu fotodetektori, kuten rakennekaaviosta käy ilmi. Elektroniaukkoparit saavat riittävästi energiaa sähkökentän vaikutuksesta kaksinkertaistumisalueen sisällä ja törmäävät atomien kanssa muodostaen uusia elektroniaukkopareja, muodostaen lumivyöryefektin ja kaksinkertaistaen materiaalin epätasapainossa olevat varauksenkuljettajat. Vuonna 2013 tutkijat käyttivät MBE:tä kasvattaakseen hila-sovitettuja InGaAs- ja InAlAs-seoksia InP-alustoille moduloiden varauksenkuljettajien energiaa muuttamalla seoksen koostumusta, epitaksiaalikerroksen paksuutta ja dopingia, maksimoiden sähköshokki-ionisaation ja minimoiden aukkojen ionisaation. Samalla lähtösignaalin vahvistuksella APD:llä on alhainen kohina ja pienempi pimeävirta. Vuonna 2016 tutkijat rakensivat 1570 nm:n laseraktiivisen kuvantamisen kokeellisen alustan, joka perustuu InGaAs-lumivyöryfotodetektoreihin. Sisäinen piiriAPD-valoilmaisinvastaanottaa kaikuja ja lähettää suoraan digitaalisia signaaleja, mikä tekee koko laitteesta kompaktin. Kokeelliset tulokset on esitetty kuvissa (d) ja (e). Kuva (d) on fyysinen valokuva kuvauskohteesta ja kuva (e) on kolmiulotteinen etäisyyskuva. Voidaan selvästi nähdä, että ikkuna-alueella vyöhykkeellä C on tietty syvyysmatka vyöhykkeistä A ja B. Tämä alusta saavuttaa alle 10 ns:n pulssinleveyden, säädettävän yksittäisen pulssin energian (1-3) mJ, 2°:n näkökulman lähetys- ja vastaanottolinsseille, 1 kHz:n toistotaajuuden ja noin 60%:n ilmaisimen käyttösuhteen. Sisäisen valovirran vahvistuksen, nopean vasteen, kompaktin koon, kestävyyden ja APD:n alhaisten kustannusten ansiosta APD-fotoilmaisimet voivat saavuttaa yhden kertaluokan korkeamman havaitsemisnopeuden kuin PIN-fotoilmaisimet. Siksi nykyään valtavirran lasertutkassa käytetään pääasiassa lumivyöryfotoilmaisimia.
Julkaisun aika: 11. helmikuuta 2026