InGaAs फोटोडिटेक्टर की संरचना

की संरचनाInGaAs फोटोडिटेक्टर
1980 के दशक से, शोधकर्ता InGaAs फोटोडिटेक्टरों की संरचना का अध्ययन कर रहे हैं, जिन्हें तीन मुख्य प्रकारों में सारांशित किया जा सकता है: InGaAs धातु और अर्धचालक धातु।फोटोडिटेक्टर(एमएसएम-पीडी), इनगाअसपिन फोटोडिटेक्टर(पिन-पीडी), और इनगासहिमस्खलन फोटोडिटेक्टर(APD-PD)। विभिन्न संरचनाओं वाले InGaAs फोटोडिटेक्टरों की उत्पादन प्रक्रिया और लागत में महत्वपूर्ण अंतर हैं, और डिवाइस के प्रदर्शन में भी महत्वपूर्ण अंतर हैं।
चित्र में InGaAs धातु अर्धचालक धातु फोटोडिटेक्टर संरचना का योजनाबद्ध आरेख दिखाया गया है, जो शॉटकी जंक्शन पर आधारित एक विशेष संरचना है। 1992 में, शी एट अल. ने निम्न-दबाव धातु कार्बनिक वाष्प चरण एपिटैक्सी (LP-MOVPE) तकनीक का उपयोग करके एपिटैक्सियल परतें विकसित कीं और InGaAs MSM फोटोडिटेक्टर तैयार किए। इस उपकरण की तरंगदैर्ध्य 1.3 μm पर 0.42 A/W की उच्च प्रतिक्रियाशीलता और 1.5 V पर 5.6 pA/μm² से कम का डार्क करंट है। 1996 में, शोधकर्ताओं ने गैस-चरण आणविक बीम एपिटैक्सी (GSMBE) का उपयोग करके InAlAs InGaAs InP एपिटैक्सियल परतें विकसित कीं, जिनमें उच्च प्रतिरोधकता विशेषताएँ पाई गईं। एक्स-रे विवर्तन मापों के माध्यम से वृद्धि की स्थितियों को अनुकूलित किया गया, जिसके परिणामस्वरूप InGaAs और InAlAs परतों के बीच 1 × 10⁻³ की सीमा में जाली बेमेल पाया गया। फलस्वरूप, उपकरण का प्रदर्शन अनुकूलित हुआ, जिसमें 10 V पर 0.75 pA/μm² से कम का डार्क करंट और 5 V पर 16 ps की तीव्र क्षणिक प्रतिक्रिया प्राप्त हुई। कुल मिलाकर, MSM संरचना वाले फोटोडिटेक्टर की संरचना सरल और एकीकृत करने में आसान है, जो कम डार्क करंट (pA स्तर) प्रदर्शित करती है, लेकिन धातु इलेक्ट्रोड उपकरण के प्रभावी प्रकाश अवशोषण क्षेत्र को कम कर देता है, जिसके परिणामस्वरूप अन्य संरचनाओं की तुलना में कम प्रतिक्रियाशीलता प्राप्त होती है।

चित्र में दिखाए अनुसार, InGaAs PIN फोटोडिटेक्टर में P-प्रकार संपर्क परत और N-प्रकार संपर्क परत के बीच एक आंतरिक परत डाली जाती है, जिससे रिक्तीकरण क्षेत्र की चौड़ाई बढ़ जाती है, जिसके परिणामस्वरूप अधिक इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्सर्जित होते हैं और एक बड़ा फोटोकरंट बनता है, इस प्रकार यह उत्कृष्ट इलेक्ट्रॉनिक चालकता प्रदर्शित करता है। 2007 में, शोधकर्ताओं ने कम तापमान वाले बफर परतों को विकसित करने के लिए MBE का उपयोग किया, जिससे सतह की खुरदरापन में सुधार हुआ और Si और InP के बीच जाली बेमेल की समस्या दूर हुई। उन्होंने MOCVD का उपयोग करके InP सब्सट्रेट पर InGaAs PIN संरचनाओं को एकीकृत किया, और डिवाइस की प्रतिक्रियाशीलता लगभग 0.57 A/W थी। 2011 में, शोधकर्ताओं ने छोटे मानवरहित जमीनी वाहनों के नेविगेशन, बाधा/टकराव से बचाव और लक्ष्य का पता लगाने/पहचान के लिए एक अल्प-श्रेणी LiDAR इमेजिंग डिवाइस विकसित करने के लिए PIN फोटोडिटेक्टरों का उपयोग किया। डिवाइस को एक कम लागत वाले माइक्रोवेव एम्पलीफायर चिप के साथ एकीकृत किया गया था, जिससे InGaAs PIN फोटोडिटेक्टरों के सिग्नल-टू-शोर अनुपात में काफी सुधार हुआ। इसी आधार पर, 2012 में, शोधकर्ताओं ने इस लिडार इमेजिंग डिवाइस को रोबोट पर लागू किया, जिसकी पहचान सीमा 50 मीटर से अधिक थी और रिज़ॉल्यूशन को बढ़ाकर 256 × 128 कर दिया गया था।
जैसा कि संरचना आरेख में दिखाया गया है, InGaAs एवलांच फोटोडिटेक्टर एक प्रकार का गेन युक्त फोटोडिटेक्टर है। इलेक्ट्रॉन-होल युग्म, द्विभाजन क्षेत्र के भीतर विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करते हैं और परमाणुओं से टकराकर नए इलेक्ट्रॉन-होल युग्म उत्पन्न करते हैं, जिससे एवलांच प्रभाव बनता है और पदार्थ में गैर-संतुलित आवेश वाहकों की संख्या दोगुनी हो जाती है। 2013 में, शोधकर्ताओं ने MBE का उपयोग करके InP सबस्ट्रेट्स पर जाली-मिलान वाले InGaAs और InAlAs मिश्र धातुओं को विकसित किया, मिश्र धातु संरचना, एपिटैक्सियल परत की मोटाई और डोपिंग में परिवर्तन के माध्यम से वाहक ऊर्जा को नियंत्रित किया, जिससे इलेक्ट्रोशॉक आयनीकरण को अधिकतम करते हुए होल आयनीकरण को न्यूनतम किया गया। समतुल्य आउटपुट सिग्नल गेन के तहत, APD कम शोर और कम डार्क करंट प्रदर्शित करता है। 2016 में, शोधकर्ताओं ने InGaAs एवलांच फोटोडिटेक्टरों पर आधारित 1570 nm लेजर सक्रिय इमेजिंग प्रायोगिक प्लेटफॉर्म का निर्माण किया।एपीडी फोटोडिटेक्टरयह प्रतिध्वनियों को ग्रहण करता है और सीधे डिजिटल सिग्नल आउटपुट करता है, जिससे पूरा उपकरण कॉम्पैक्ट हो जाता है। प्रायोगिक परिणाम चित्र (d) और (e) में दर्शाए गए हैं। चित्र (d) इमेजिंग लक्ष्य का भौतिक चित्र है, और चित्र (e) एक त्रि-आयामी दूरी छवि है। यह स्पष्ट रूप से देखा जा सकता है कि ज़ोन C में विंडो क्षेत्र, ज़ोन A और B से एक निश्चित गहराई दूरी पर स्थित है। यह प्लेटफ़ॉर्म 10 ns से कम की पल्स चौड़ाई, समायोज्य एकल पल्स ऊर्जा (1-3) mJ, संचारित और प्राप्त लेंस के लिए 2° का दृश्य कोण, 1 kHz की पुनरावृति दर और लगभग 60% का डिटेक्टर ड्यूटी चक्र प्राप्त करता है। APD के आंतरिक फोटोकरंट लाभ, तीव्र प्रतिक्रिया, कॉम्पैक्ट आकार, स्थायित्व और कम लागत के कारण, APD फोटोडिटेक्टर PIN फोटोडिटेक्टरों की तुलना में एक परिमाण क्रम अधिक उच्च पहचान दर प्राप्त कर सकते हैं। इसलिए, वर्तमान में मुख्यधारा के लेजर रडार मुख्य रूप से हिमस्खलन फोटोडिटेक्टरों का उपयोग करते हैं।