រចនាសម្ព័ន្ធរបស់ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs

រចនាសម្ព័ន្ធនៃឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs

ចាប់តាំងពីទសវត្សរ៍ឆ្នាំ 1980 មក អ្នកស្រាវជ្រាវនៅក្នុងស្រុក និងក្រៅប្រទេសបានសិក្សាពីរចនាសម្ព័ន្ធរបស់ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs ដែលភាគច្រើនត្រូវបានបែងចែកជាបីប្រភេទ។ ពួកវាគឺ ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺលោហៈ-ពាក់កណ្តាលចរន្ត-លោហៈ InGaAs (MSM-PD) ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ PIN InGaAs (PIN-PD) និងឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs Avalanche (APD-PD)។ មានភាពខុសគ្នាគួរឱ្យកត់សម្គាល់នៅក្នុងដំណើរការផលិត និងតម្លៃរបស់ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs ដែលមានរចនាសម្ព័ន្ធផ្សេងៗគ្នា ហើយក៏មានភាពខុសគ្នាយ៉ាងខ្លាំងនៅក្នុងដំណើរការឧបករណ៍ផងដែរ។

លោហៈ-ស៊ីមីកុងដុកទ័រ-លោហៈ InGaAsឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺដែលបង្ហាញក្នុងរូបភាព (ក) គឺជារចនាសម្ព័ន្ធពិសេសមួយដែលផ្អែកលើចំណុចប្រសព្វ Schottky។ នៅឆ្នាំ 1992 Shi និងក្រុមការងារបានប្រើបច្ចេកវិទ្យា epitaxy ដំណាក់កាលចំហាយលោហៈ-សរីរាង្គសម្ពាធទាប (LP-MOVPE) ដើម្បីដាំស្រទាប់ epitaxy និងបានរៀបចំឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ MSM InGaAs ដែលមានការឆ្លើយតបខ្ពស់ 0.42 A/W នៅរលកពន្លឺ 1.3 μm និងចរន្តងងឹតទាបជាង 5.6 pA/μm² នៅវ៉ុល 1.5 V។ នៅឆ្នាំ 1996 zhang និងក្រុមការងារបានប្រើ epitaxy ធ្នឹមម៉ូលេគុលដំណាក់កាលឧស្ម័ន (GSMBE) ដើម្បីដាំស្រទាប់ epitaxy InAlAs-InGaAs-InP។ ស្រទាប់ InAlAs បានបង្ហាញពីលក្ខណៈធន់ទ្រាំខ្ពស់ ហើយលក្ខខណ្ឌលូតលាស់ត្រូវបានធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងដោយការវាស់វែងឌីផ្រាក់ស្យុងកាំរស្មីអ៊ិច ដូច្នេះភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើរវាងស្រទាប់ InGaAs និង InAlAs គឺស្ថិតនៅក្នុងចន្លោះ 1×10⁻³។ នេះនាំឱ្យមានដំណើរការឧបករណ៍ល្អប្រសើរជាមួយនឹងចរន្តងងឹតក្រោម 0.75 pA/μm² នៅ 10 V និងការឆ្លើយតបបណ្ដោះអាសន្នលឿនរហូតដល់ 16 ps នៅ 5 V។ ជារួម ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺរចនាសម្ព័ន្ធ MSM គឺសាមញ្ញ និងងាយស្រួលក្នុងការរួមបញ្ចូល ដោយបង្ហាញចរន្តងងឹតទាប (លំដាប់ pA) ប៉ុន្តែអេឡិចត្រូតដែកនឹងកាត់បន្ថយតំបន់ស្រូបយកពន្លឺដែលមានប្រសិទ្ធភាពនៃឧបករណ៍ ដូច្នេះការឆ្លើយតបគឺទាបជាងរចនាសម្ព័ន្ធផ្សេងទៀត។

ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ PIN របស់ InGaAs បញ្ចូលស្រទាប់ខាងក្នុងរវាងស្រទាប់ទំនាក់ទំនងប្រភេទ P និងស្រទាប់ទំនាក់ទំនងប្រភេទ N ដូចបង្ហាញក្នុងរូបភាព (ខ) ដែលបង្កើនទទឹងនៃតំបន់ថយចុះ ដោយហេតុនេះបញ្ចេញគូរន្ធអេឡិចត្រុងកាន់តែច្រើន និងបង្កើតជាចរន្តពន្លឺធំជាង ដូច្នេះវាមានដំណើរការដឹកនាំអេឡិចត្រុងដ៏ល្អឥតខ្ចោះ។ នៅឆ្នាំ ២០០៧ A.Poloczek et al. បានប្រើ MBE ដើម្បីដាំស្រទាប់ទ្រនាប់សីតុណ្ហភាពទាប ដើម្បីកែលម្អភាពរដុបនៃផ្ទៃ និងយកឈ្នះលើភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើរវាង Si និង InP។ MOCVD ត្រូវបានប្រើដើម្បីរួមបញ្ចូលរចនាសម្ព័ន្ធ PIN របស់ InGaAs នៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម InP ហើយការឆ្លើយតបរបស់ឧបករណ៍គឺប្រហែល 0.57A /W។ នៅឆ្នាំ ២០១១ មន្ទីរពិសោធន៍ស្រាវជ្រាវកងទ័ព (ALR) បានប្រើឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ PIN ដើម្បីសិក្សាឧបករណ៍ចាប់រូបភាព liDAR សម្រាប់ការរុករក ការជៀសវាងឧបសគ្គ/ការប៉ះទង្គិច និងការរកឃើញ/កំណត់អត្តសញ្ញាណគោលដៅចម្ងាយខ្លីសម្រាប់យានយន្តដីគ្មានមនុស្សបើកតូចៗ ដែលរួមបញ្ចូលជាមួយបន្ទះឈីបពង្រីកមីក្រូវ៉េវដែលមានតម្លៃទាប ដែលធ្វើអោយប្រសើរឡើងយ៉ាងខ្លាំងនូវសមាមាត្រសញ្ញាទៅនឹងសំឡេងរំខានរបស់ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ PIN របស់ InGaAs។ ដោយផ្អែកលើចំណុចនេះ ក្នុងឆ្នាំ ២០១២ ALR បានប្រើប្រាស់ឧបករណ៍ចាប់រូបភាព liDAR នេះសម្រាប់មនុស្សយន្ត ដែលមានជួររកឃើញលើសពី ៥០ ម៉ែត្រ និងគុណភាពបង្ហាញ ២៥៦ × ១២៨។

អ៊ីនហ្គាអាសឧបករណ៍ចាប់រូបភាពព្រិលធ្លាក់គឺជាប្រភេទឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺដែលមានកម្រិតពង្រីក ដែលរចនាសម្ព័ន្ធរបស់វាត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាព (គ)។ គូរន្ធអេឡិចត្រុងទទួលបានថាមពលគ្រប់គ្រាន់ក្រោមសកម្មភាពនៃដែនអគ្គិសនីនៅខាងក្នុងតំបន់កើនឡើងទ្វេដង ដើម្បីប៉ះទង្គិចជាមួយអាតូម បង្កើតគូរន្ធអេឡិចត្រុងថ្មី បង្កើតឥទ្ធិពលរអិលធ្លាក់ និងគុណនឹងសារធាតុផ្ទុកមិនស្មើគ្នានៅក្នុងសម្ភារៈ។ នៅឆ្នាំ ២០១៣ លោក George M បានប្រើ MBE ដើម្បីដាំយ៉ាន់ស្ព័រ InGaAs និង InAlAs ដែលត្រូវគ្នានឹងឡាទីសនៅលើស្រទាប់ខាងក្រោម InP ដោយប្រើការផ្លាស់ប្តូរសមាសធាតុយ៉ាន់ស្ព័រ កម្រាស់ស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ី និងដូបទៅនឹងថាមពលសារធាតុផ្ទុកដែលបានកែប្រែដើម្បីបង្កើនប្រសិទ្ធភាពអ៊ីយ៉ូដអេឡិចត្រូស្ហុក ខណៈពេលដែលកាត់បន្ថយអ៊ីយ៉ូដរន្ធ។ នៅពេលទទួលបានសញ្ញាទិន្នផលសមមូល APD បង្ហាញពីសំឡេងរំខានទាប និងចរន្តងងឹតទាប។ នៅឆ្នាំ ២០១៦ លោក Sun Jianfeng និងក្រុមការងារបានបង្កើតវេទិកាពិសោធន៍រូបភាពសកម្មឡាស៊ែរ 1570 nm ដោយផ្អែកលើឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺរអិលធ្លាក់ InGaAs។ សៀគ្វីខាងក្នុងនៃឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ APDបានទទួលសំឡេងអេកូ និងបញ្ចេញសញ្ញាឌីជីថលដោយផ្ទាល់ ដែលធ្វើឱ្យឧបករណ៍ទាំងមូលមានទំហំតូច។ លទ្ធផលពិសោធន៍ត្រូវបានបង្ហាញក្នុងរូបភាព (ឃ) និង (ង)។ រូបភាព (ឃ) គឺជារូបថតរូបវន្តនៃគោលដៅថតរូបភាព ហើយរូបភាព (ង) គឺជារូបភាពចម្ងាយបីវិមាត្រ។ យើងអាចមើលឃើញយ៉ាងច្បាស់ថា ផ្ទៃបង្អួចនៃតំបន់ c មានចម្ងាយជម្រៅជាក់លាក់មួយជាមួយតំបន់ A និង b។ វេទិកានេះសម្រេចបានទទឹងជីពចរតិចជាង 10 ns ថាមពលជីពចរតែមួយ (1 ~ 3) mJ អាចលៃតម្រូវបាន មុំវាលកែវទទួល 2° ប្រេកង់ធ្វើម្តងទៀត 1 kHz សមាមាត្រកាតព្វកិច្ចរបស់ឧបករណ៍ចាប់សញ្ញាប្រហែល 60%។ សូមអរគុណដល់ការទទួលបានចរន្តរូបថតខាងក្នុងរបស់ APD ការឆ្លើយតបរហ័ស ទំហំតូច ភាពធន់ និងតម្លៃទាប ឧបករណ៍ចាប់សញ្ញារូបថត APD អាចមានអត្រារកឃើញខ្ពស់ជាងឧបករណ៍ចាប់សញ្ញារូបថត PIN ដូច្នេះ liDAR សំខាន់ៗបច្ចុប្បន្នភាគច្រើនត្រូវបានគ្របដណ្ដប់ដោយឧបករណ៍ចាប់សញ្ញារូបថត avalanche។

ជារួម ជាមួយនឹងការអភិវឌ្ឍយ៉ាងឆាប់រហ័សនៃបច្ចេកវិទ្យារៀបចំ InGaAs ទាំងនៅក្នុងស្រុក និងនៅបរទេស យើងអាចប្រើប្រាស់ MBE, MOCVD, LPE និងបច្ចេកវិទ្យាផ្សេងទៀតបានយ៉ាងប៉ិនប្រសប់ ដើម្បីរៀបចំស្រទាប់អេពីតាស៊ីល InGaAs ដែលមានគុណភាពខ្ពស់លើផ្ទៃដីធំមួយ លើស្រទាប់ខាងក្រោម InP។ ឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs បង្ហាញចរន្តងងឹតទាប និងការឆ្លើយតបខ្ពស់ ចរន្តងងឹតទាបបំផុតគឺទាបជាង 0.75 pA/μm² ការឆ្លើយតបអតិបរមាគឺរហូតដល់ 0.57 A/W និងមានការឆ្លើយតបបណ្ដោះអាសន្នលឿន (លំដាប់ ps)។ ការអភិវឌ្ឍនាពេលអនាគតនៃឧបករណ៍ចាប់ពន្លឺ InGaAs នឹងផ្តោតលើទិដ្ឋភាពពីរដូចខាងក្រោម៖ (1) ស្រទាប់អេពីតាស៊ីល InGaAs ត្រូវបានដាំដុះដោយផ្ទាល់លើស្រទាប់ខាងក្រោម Si។ បច្ចុប្បន្ននេះ ឧបករណ៍មីក្រូអេឡិចត្រូនិចភាគច្រើននៅលើទីផ្សារគឺផ្អែកលើ Si ហើយការអភិវឌ្ឍរួមបញ្ចូលគ្នាជាបន្តបន្ទាប់នៃ InGaAs និង Si គឺជានិន្នាការទូទៅ។ ការដោះស្រាយបញ្ហាដូចជាភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះឈើ និងភាពខុសគ្នានៃមេគុណពង្រីកកម្ដៅ គឺមានសារៈសំខាន់សម្រាប់ការសិក្សាអំពី InGaAs/Si; (2) បច្ចេកវិទ្យារលកពន្លឺ 1550 nm មានភាពចាស់ទុំ ហើយរលកពន្លឺដែលបានពង្រីក (2.0 ~ 2.5) μm គឺជាទិសដៅស្រាវជ្រាវនាពេលអនាគត។ ជាមួយនឹងការកើនឡើងនៃសមាសធាតុ In ភាពមិនស៊ីគ្នានៃបន្ទះស្រទាប់ខាងក្រោម InP និងស្រទាប់អេពីតាក់ស៊ី InGaAs នឹងនាំឱ្យមានការផ្លាស់ទីលំនៅ និងពិការភាពកាន់តែធ្ងន់ធ្ងរ ដូច្នេះវាចាំបាច់ក្នុងការធ្វើឱ្យប្រសើរឡើងនូវប៉ារ៉ាម៉ែត្រដំណើរការឧបករណ៍ កាត់បន្ថយពិការភាពបន្ទះស្រទាប់ និងកាត់បន្ថយចរន្តងងឹតឧបករណ៍។