IntroduceerInGaAs-fotodetector
InGaAs is een van de ideale materialen voor het bereiken van een hoge respons enhogesnelheidsfotodetectorTen eerste is InGaAs een halfgeleidermateriaal met een directe bandgap, waarvan de bandbreedte kan worden geregeld door de verhouding tussen In en Ga, waardoor de detectie van optische signalen met verschillende golflengten mogelijk is. In0.53Ga0.47As sluit perfect aan op het InP-substraatrooster en heeft een zeer hoge lichtabsorptiecoëfficiënt in de optische communicatieband. Het is het meest gebruikte materiaal bij de bereiding van...fotodetectorInGaAs en InP hebben bovendien de meest uitstekende donkerstroom- en responsiviteitsprestaties. Ten tweede hebben zowel InGaAs als InP relatief hoge elektronendriftsnelheden, waarbij hun verzadigde elektronendriftsnelheden beide ongeveer 1 × 10⁷ cm/s bedragen. Onder specifieke elektrische velden vertonen InGaAs en InP bovendien elektronensnelheidsoverschrijdingseffecten, waarbij hun overschrijdingssnelheden respectievelijk 4 × 10⁷ cm/s en 6 × 10⁷ cm/s bereiken. Dit draagt bij aan het bereiken van een hogere kruisbandbreedte. Momenteel zijn InGaAs-fotodetectoren de meest gangbare fotodetectoren voor optische communicatie. Op de markt is de oppervlakte-incident koppelingsmethode het meest gangbaar. Oppervlakte-incident detectoren met een bandbreedte van 25 Gaud/s en 56 Gaud/s kunnen al in massaproductie worden genomen. Ook kleinere, back-incident en hoogbandbreedte oppervlakte-incident detectoren zijn ontwikkeld, voornamelijk voor toepassingen zoals hoge snelheid en hoge verzadiging. Vanwege de beperkingen van hun koppelingsmethoden zijn oppervlakte-incidentdetectoren echter moeilijk te integreren met andere opto-elektronische apparaten. Daarom is, met de toenemende vraag naar opto-elektronische integratie, de focus van onderzoek steeds meer komen te staan op golfgeleidergekoppelde InGaAs-fotodetectoren met uitstekende prestaties en geschiktheid voor integratie. Commerciële InGaAs-fotodetectormodules van 70 GHz en 110 GHz maken vrijwel allemaal gebruik van golfgeleiderkoppelingsstructuren. Op basis van de gebruikte substraatmaterialen kunnen golfgeleidergekoppelde InGaAs-fotodetectoren hoofdzakelijk in twee typen worden ingedeeld: op InP-substraten en op Si-substraten. Het epitaxiaal gegroeide materiaal op InP-substraten is van hoge kwaliteit en beter geschikt voor de fabricage van hoogwaardige apparaten. Voor III-V-groepmaterialen die op Si-substraten worden gegroeid of gebonden, is de materiaal- of interfacekwaliteit echter relatief slecht vanwege diverse mismatches tussen InGaAs-materialen en Si-substraten, waardoor er nog aanzienlijke ruimte is voor verbetering van de prestaties van de apparaten.
De stabiliteit van fotodetectoren in diverse toepassingsomgevingen, met name onder extreme omstandigheden, is een cruciale factor voor praktische toepassingen. Nieuwe detectortypen zoals perovskiet-, organische en tweedimensionale materialen hebben de laatste jaren veel aandacht getrokken, maar stuiten nog steeds op uitdagingen wat betreft stabiliteit op lange termijn. Dit komt doordat de materialen zelf gevoelig zijn voor omgevingsinvloeden. Bovendien is het integratieproces van deze nieuwe materialen nog niet volledig ontwikkeld en is verder onderzoek nodig voor grootschalige productie en consistente prestaties.
Hoewel de introductie van inductoren de bandbreedte van apparaten momenteel effectief kan vergroten, is dit niet gangbaar in digitale optische communicatiesystemen. Daarom is het vermijden van negatieve effecten om de parasitaire RC-parameters van het apparaat verder te verlagen een van de onderzoeksrichtingen voor snelle fotodetectoren. Ten tweede, naarmate de bandbreedte van golfgeleidergekoppelde fotodetectoren blijft toenemen, ontstaat er opnieuw een beperking tussen bandbreedte en responsiviteit. Hoewel er Ge/Si-fotodetectoren en InGaAs-fotodetectoren met een 3dB-bandbreedte van meer dan 200 GHz zijn gerapporteerd, is hun responsiviteit niet bevredigend. Hoe de bandbreedte kan worden verhoogd met behoud van een goede responsiviteit is een belangrijk onderzoeksonderwerp, dat mogelijk de introductie van nieuwe procescompatibele materialen (hoge mobiliteit en hoge absorptiecoëfficiënt) of nieuwe snelle apparaatstructuren vereist om op te lossen. Bovendien zal, naarmate de bandbreedte van apparaten toeneemt, het aantal toepassingsscenario's van detectoren in microgolf-fotonische verbindingen geleidelijk toenemen. In tegenstelling tot de lage optische vermogensincidentie en zeer gevoelige detectie in optische communicatie, vereist dit scenario, op basis van een hoge bandbreedte, een hoog verzadigingsvermogen bij hoge incidentie. Apparaten met een hoge bandbreedte hebben echter doorgaans kleine structuren, waardoor het niet eenvoudig is om snelle fotodetectoren met een hoog verzadigingsvermogen te produceren. Verdere innovaties op het gebied van ladingsdragersextractie en warmteafvoer zijn mogelijk nodig. Ten slotte blijft het verminderen van de donkerstroom van snelle detectoren een probleem dat fotodetectoren met roosterverschillen moeten oplossen. Donkerstroom is voornamelijk gerelateerd aan de kristalkwaliteit en de oppervlaktestatus van het materiaal. Daarom vereisen sleutelprocessen zoals hoogwaardige hetero-epitaxie of binding onder roosterverschillen meer onderzoek en investeringen.
Geplaatst op: 20 augustus 2025