ПредставлятьФотодетектор на основе InGaAs
InGaAs — один из идеальных материалов для достижения высокой скорости отклика ивысокоскоростной фотодетекторВо-первых, InGaAs — это полупроводниковый материал с прямой зонной щелью, и ширина его запрещенной зоны может регулироваться соотношением In и Ga, что позволяет детектировать оптические сигналы различной длины волны. Среди них In0.53Ga0.47As идеально согласуется с кристаллической решеткой подложки InP и обладает очень высоким коэффициентом поглощения света в диапазоне оптической связи. Он наиболее широко используется при изготовлениифотодетекторКроме того, материал InGaAs обладает наиболее выдающимися характеристиками по темновому току и чувствительности. Во-вторых, как InGaAs, так и InP имеют относительно высокие скорости дрейфа электронов, причем их насыщенные скорости дрейфа электронов составляют приблизительно 1×10⁷ см/с. При этом, в определенных электрических полях, материалы InGaAs и InP демонстрируют эффект перерегулирования скорости электронов, достигая 4×10⁷ см/с и 6×10⁷ см/с соответственно. Это способствует достижению более высокой полосы пропускания. В настоящее время фотодетекторы на основе InGaAs являются наиболее распространенными фотодетекторами для оптической связи. На рынке наиболее распространен метод поверхностного падающего излучения. Детекторы поверхностного падающего излучения со скоростью 25 Гауд/с и 56 Гауд/с уже могут производиться серийно. Были также разработаны детекторы меньшего размера, с обратным падением излучения и высокой полосой пропускания, в основном для таких применений, как высокая скорость и высокая насыщенность. Однако из-за ограничений методов связи детекторы с поверхностным падением излучения трудно интегрировать с другими оптоэлектронными устройствами. Поэтому с ростом спроса на оптоэлектронную интеграцию, волноводно-связанные фотодетекторы на основе InGaAs с превосходными характеристиками, пригодные для интеграции, постепенно стали предметом исследований. Среди них коммерческие модули фотодетекторов на основе InGaAs с частотой 70 ГГц и 110 ГГц почти все используют волноводно-связанные структуры. В зависимости от материала подложки, волноводно-связанные фотодетекторы на основе InGaAs можно разделить на два основных типа: на основе INP и на основе Si. Эпитаксиальный материал на подложках InP обладает высоким качеством и больше подходит для изготовления высокопроизводительных устройств. Однако для материалов III-V групп, выращенных или нанесенных на кремниевые подложки, из-за различных несоответствий между материалами InGaAs и кремниевыми подложками качество материала или интерфейса относительно низкое, и все еще есть значительный потенциал для улучшения характеристик устройств.
Стабильность фотодетектора в различных условиях эксплуатации, особенно в экстремальных, также является одним из ключевых факторов в практическом применении. В последние годы новые типы детекторов, такие как перовскитные, органические и двумерные материалы, привлекшие большое внимание, по-прежнему сталкиваются со многими проблемами в плане долговременной стабильности, поскольку сами материалы легко подвержены влиянию факторов окружающей среды. В то же время процесс интеграции новых материалов еще не отработан, и необходимы дальнейшие исследования для крупномасштабного производства и обеспечения стабильной работы.
Хотя в настоящее время введение индукторов может эффективно увеличить полосу пропускания устройств, оно не получило широкого распространения в цифровых оптических системах связи. Поэтому одним из направлений исследований высокоскоростных фотодетекторов является вопрос о том, как избежать негативных последствий и дополнительно снизить паразитные RC-параметры устройства. Во-вторых, по мере увеличения полосы пропускания волноводно-связанных фотодетекторов снова начинает возникать ограничение между полосой пропускания и чувствительностью. Хотя были описаны Ge/Si фотодетекторы и InGaAs фотодетекторы с полосой пропускания 3 дБ, превышающей 200 ГГц, их чувствительность неудовлетворительна. Вопрос о том, как увеличить полосу пропускания, сохраняя при этом хорошую чувствительность, является важной темой исследований, которая может потребовать внедрения новых материалов, совместимых с технологическим процессом (с высокой подвижностью и высоким коэффициентом поглощения), или новых высокоскоростных структур устройств. Кроме того, по мере увеличения полосы пропускания устройства сценарии применения детекторов в микроволновых фотонных линиях связи будут постепенно расширяться. В отличие от оптической связи, где падение малой мощности и высокочувствительное детектирование являются обычными, в данном сценарии, основанном на высокой пропускной способности, требуется высокая мощность насыщения для падающего излучения большой мощности. Однако в устройствах с высокой пропускной способностью обычно используются малогабаритные структуры, поэтому создание высокоскоростных фотодетекторов с высокой мощностью насыщения представляет собой сложную задачу, и могут потребоваться дальнейшие инновации в извлечении носителей заряда и отводе тепла от устройств. Наконец, снижение темнового тока высокоскоростных детекторов остается проблемой, которую необходимо решить в фотодетекторах с несоответствием кристаллической решетки. Темновый ток в основном связан с качеством кристалла и состоянием поверхности материала. Поэтому ключевые процессы, такие как высококачественная гетероэпитаксия или соединение в системах с несоответствием кристаллической решетки, требуют дополнительных исследований и инвестиций.
Дата публикации: 20 августа 2025 г.