InGaAs फोटोडिटेक्टर की संरचना

की संरचनाInGaAs फोटोडिटेक्टर

1980 के दशक से, देश-विदेश के शोधकर्ता InGaAs फोटोडिटेक्टरों की संरचना का अध्ययन कर रहे हैं, जिन्हें मुख्यतः तीन प्रकारों में विभाजित किया गया है। ये हैं InGaAs धातु-अर्धचालक-धातु फोटोडिटेक्टर (MSM-PD), InGaAs PIN फोटोडिटेक्टर (PIN-PD), और InGaAs एवलांच फोटोडिटेक्टर (APD-PD)। विभिन्न संरचनाओं वाले InGaAs फोटोडिटेक्टरों की निर्माण प्रक्रिया और लागत में महत्वपूर्ण अंतर होते हैं, और उपकरण के प्रदर्शन में भी काफी अंतर होता है।

InGaAs धातु-अर्धचालक-धातुफोटोडिटेक्टर, चित्र (a) में दिखाया गया है, यह शॉट्की जंक्शन पर आधारित एक विशेष संरचना है। 1992 में, शि एट अल ने एपिटैक्सी परतों को विकसित करने के लिए कम दबाव वाले धातु-कार्बनिक वाष्प चरण एपिटैक्सी प्रौद्योगिकी (LP-MOVPE) का उपयोग किया और InGaAs MSM फोटोडिटेक्टर तैयार किया, जिसमें 1.3 μm तरंग दैर्ध्य पर 0.42 A/W की उच्च प्रतिक्रियाशीलता और 1.5 V पर 5.6 pA/ μm² से कम डार्क करंट है। 1996 में, झांग एट अल ने InAlAs-InGaAs-InP एपिटैक्सी परत को विकसित करने के लिए गैस चरण आणविक बीम एपिटैक्सी (GSMBE) का उपयोग किया। InAlAs परत ने उच्च प्रतिरोधकता विशेषताओं को दिखाया, और विकास की स्थितियों को एक्स-रे विवर्तन माप द्वारा अनुकूलित किया गया था, इसके परिणामस्वरूप 10 V पर 0.75 pA/μm² से नीचे के डार्क करंट और 5 V पर 16 ps तक की तीव्र क्षणिक प्रतिक्रिया के साथ अनुकूलित डिवाइस प्रदर्शन प्राप्त होता है। कुल मिलाकर, MSM संरचना फोटोडिटेक्टर सरल और एकीकृत करने में आसान है, जो कम डार्क करंट (pA क्रम) दिखाता है, लेकिन धातु इलेक्ट्रोड डिवाइस के प्रभावी प्रकाश अवशोषण क्षेत्र को कम कर देगा, इसलिए प्रतिक्रिया अन्य संरचनाओं की तुलना में कम है।

InGaAs PIN फोटोडिटेक्टर, P-प्रकार संपर्क परत और N-प्रकार संपर्क परत के बीच एक अंतर्निहित परत डालता है, जैसा कि चित्र (b) में दिखाया गया है, जिससे अवक्षय क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है, जिससे अधिक इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्म विकीर्ण होते हैं और एक बड़ा प्रकाश धारा बनता है, इसलिए इसका इलेक्ट्रॉन चालन प्रदर्शन उत्कृष्ट होता है। 2007 में, A.Poloczek और अन्य ने सतह की खुरदरापन में सुधार लाने और Si और InP के बीच जालक बेमेल को दूर करने के लिए एक निम्न-तापमान बफर परत विकसित करने हेतु MBE का उपयोग किया। InP सब्सट्रेट पर InGaAs PIN संरचना को एकीकृत करने के लिए MOCVD का उपयोग किया गया, और उपकरण की प्रतिक्रियाशीलता लगभग 0.57A/W थी। 2011 में, आर्मी रिसर्च लेबोरेटरी (ALR) ने छोटे मानवरहित ज़मीनी वाहनों के लिए नेविगेशन, बाधा/टकराव से बचाव, और कम दूरी के लक्ष्य का पता लगाने/पहचान करने हेतु एक LiDAR इमेजर का अध्ययन करने के लिए PIN फोटोडिटेक्टर का इस्तेमाल किया। यह इमेजर एक कम लागत वाले माइक्रोवेव एम्पलीफायर चिप के साथ एकीकृत था जिससे InGaAs PIN फोटोडिटेक्टर के सिग्नल-टू-नॉइज़ अनुपात में उल्लेखनीय सुधार हुआ। इसी आधार पर, 2012 में, ALR ने रोबोट के लिए इस LiDAR इमेजर का इस्तेमाल किया, जिसकी डिटेक्शन रेंज 50 मीटर से ज़्यादा और रेज़ोल्यूशन 256 × 128 था।

InGaAsहिमस्खलन फोटोडिटेक्टरयह एक प्रकार का लाभ युक्त फोटोडिटेक्टर है, जिसकी संरचना चित्र (c) में दर्शाई गई है। इलेक्ट्रॉन-होल युग्म, द्विगुणन क्षेत्र के अंदर विद्युत क्षेत्र की क्रिया के अंतर्गत पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करता है, जिससे परमाणु से टकराकर नए इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न होते हैं, हिमस्खलन प्रभाव बनता है, और पदार्थ में असंतुलित वाहकों की संख्या बढ़ जाती है। 2013 में, जॉर्ज एम ने MBE का उपयोग करके एक InP सब्सट्रेट पर जाली मिलान वाले InGaAs और InAlAs मिश्रधातुओं को विकसित किया, जिसमें मिश्रधातु संरचना, उपकला परत की मोटाई में परिवर्तन और मॉडुलित वाहक ऊर्जा में अपमिश्रण का उपयोग करके इलेक्ट्रोशॉक आयनीकरण को अधिकतम किया गया जबकि होल आयनीकरण को न्यूनतम किया गया। समतुल्य आउटपुट सिग्नल लाभ पर, APD कम शोर और कम डार्क करंट प्रदर्शित करता है। 2016 में, सन जियानफेंग एट अल. ने InGaAs हिमस्खलन फोटोडिटेक्टर पर आधारित 1570 एनएम लेज़र सक्रिय इमेजिंग प्रायोगिक प्लेटफ़ॉर्म का एक सेट बनाया।एपीडी फोटोडिटेक्टरप्राप्त प्रतिध्वनियाँ और सीधे डिजिटल सिग्नल आउटपुट करते हैं, जिससे पूरा उपकरण कॉम्पैक्ट हो जाता है। प्रयोगात्मक परिणाम चित्र (d) और (e) में दिखाए गए हैं। चित्र (d) इमेजिंग लक्ष्य की एक भौतिक तस्वीर है, और चित्र (e) एक त्रि-आयामी दूरी की छवि है। यह स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है कि क्षेत्र c के विंडो क्षेत्र की क्षेत्र A और b के साथ एक निश्चित गहराई की दूरी है। प्लेटफ़ॉर्म 10 ns से कम पल्स चौड़ाई, एकल पल्स ऊर्जा (1 ~ 3) mJ समायोज्य, 2° का लेंस क्षेत्र कोण प्राप्त करने, 1 kHz की पुनरावृत्ति आवृत्ति, लगभग 60% का डिटेक्टर ड्यूटी अनुपात प्राप्त करता है। APD के आंतरिक फोटोकरंट लाभ, तेज़ प्रतिक्रिया, कॉम्पैक्ट आकार, टिकाऊपन और कम लागत के कारण, APD फोटोडिटेक्टर PIN फोटोडिटेक्टर की तुलना में पता लगाने की दर में एक क्रम का परिमाण प्राप्त कर सकते हैं,

कुल मिलाकर, देश और विदेश में InGaAs तैयारी तकनीक के तेजी से विकास के साथ, हम InP सब्सट्रेट पर बड़े क्षेत्र में उच्च गुणवत्ता वाले InGaAs एपीटैक्सियल परत तैयार करने के लिए MBE, MOCVD, LPE और अन्य तकनीकों का कुशलतापूर्वक उपयोग कर सकते हैं। InGaAs फोटोडिटेक्टर कम डार्क करंट और उच्च प्रतिक्रियाशीलता प्रदर्शित करते हैं, सबसे कम डार्क करंट 0.75 pA/μm² से कम है, अधिकतम प्रतिक्रियाशीलता 0.57 A/W तक है, और इसमें तेज़ क्षणिक प्रतिक्रिया (ps क्रम) है। InGaAs फोटोडिटेक्टर का भविष्य का विकास निम्नलिखित दो पहलुओं पर केंद्रित होगा: (1) InGaAs एपीटैक्सियल परत सीधे Si सब्सट्रेट पर उगाई जाती है। वर्तमान में, बाजार में अधिकांश माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उपकरण Si आधारित हैं (2) 1550 नैनोमीटर तरंगदैर्ध्य तकनीक परिपक्व हो चुकी है, और विस्तारित तरंगदैर्ध्य (2.0 ~ 2.5) माइक्रोमीटर भविष्य की अनुसंधान दिशा है। In घटकों की वृद्धि के साथ, InP सब्सट्रेट और InGaAs एपिटैक्सियल परत के बीच जाली बेमेल अधिक गंभीर अव्यवस्था और दोषों को जन्म देगा, इसलिए उपकरण प्रक्रिया मापदंडों को अनुकूलित करना, जाली दोषों को कम करना और उपकरण डार्क करंट को कम करना आवश्यक है।