Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren werden durch InGaAs-Photodetektoren eingeführt.

Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren werden eingeführt vonInGaAs-Photodetektoren

Hochgeschwindigkeits-FotodetektorenIm Bereich der optischen Kommunikation umfassen sie hauptsächlich III-V InGaAs-Photodetektoren und IV Voll-Si- und Ge/Si-PhotodetektorenErsteres ist ein traditioneller Nahinfrarotdetektor, der lange Zeit dominant war, während letzteres auf Siliziumoptik basiert und sich zu einem aufstrebenden Stern entwickelt hat. Es zählt zu den wichtigsten Forschungsschwerpunkten der internationalen Optoelektronik. Darüber hinaus werden neue Detektoren auf Basis von Perowskit-, organischen und zweidimensionalen Materialien aufgrund ihrer Vorteile wie einfacher Verarbeitung, hoher Flexibilität und einstellbarer Eigenschaften rasant weiterentwickelt. Zwischen diesen neuen Detektoren und traditionellen anorganischen Photodetektoren bestehen signifikante Unterschiede hinsichtlich Materialeigenschaften und Herstellungsverfahren. Perowskitdetektoren zeichnen sich durch exzellente Lichtabsorption und effiziente Ladungstransportkapazität aus, organische Materialdetektoren sind aufgrund ihrer geringen Kosten und Flexibilität weit verbreitet, und zweidimensionale Materialdetektoren haben aufgrund ihrer einzigartigen physikalischen Eigenschaften und hohen Ladungsträgermobilität viel Aufmerksamkeit erregt. Im Vergleich zu InGaAs- und Si/Ge-Detektoren besteht jedoch bei den neuen Detektoren noch Verbesserungsbedarf hinsichtlich Langzeitstabilität, Fertigungsreife und Integration.

InGaAs ist eines der idealen Materialien für die Realisierung von Hochgeschwindigkeits- und Hochempfindlichkeits-Photodetektoren. InGaAs ist ein Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke, deren Breite durch das Verhältnis von Indium zu Gallium (Ga) reguliert werden kann, um optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen zu detektieren. Die Verbindung In_0,53Ga_0,47As passt optimal zum Substratgitter von InP und weist einen hohen Lichtabsorptionskoeffizienten im optischen Kommunikationsband auf. Sie wird daher am häufigsten für die Herstellung von Photodetektoren verwendet.FotodetektorenDie Dunkelstrom- und Ansprechleistung sind ebenfalls optimal. Zweitens weisen InGaAs und InP eine hohe Elektronendriftgeschwindigkeit auf, deren Sättigungsdriftgeschwindigkeit bei etwa 1 × 10⁷ cm/s liegt. Gleichzeitig zeigen InGaAs und InP unter bestimmten elektrischen Feldern einen Überschwingeffekt der Elektronengeschwindigkeit. Dieser Überschwingeffekt liegt zwischen 4 × 10⁷ cm/s und 6 × 10⁷ cm/s und ermöglicht eine größere Bandbreite für die Trägerzeitbegrenzung. Derzeit ist der InGaAs-Photodetektor der am weitesten verbreitete Photodetektor für die optische Kommunikation. Die Oberflächeninzidenzkopplung ist die gängigste Methode auf dem Markt, und Oberflächeninzidenzdetektoren mit 25 Gbaud/s und 56 Gbaud/s sind bereits erhältlich. Kleinere Oberflächeninzidenzdetektoren mit Rückinzidenz und großer Bandbreite wurden ebenfalls entwickelt und eignen sich besonders für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Sättigung. Die Oberflächeninzidenzsonde ist jedoch durch ihren Kopplungsmodus eingeschränkt und lässt sich nur schwer mit anderen optoelektronischen Bauelementen integrieren. Mit den steigenden Anforderungen an die optoelektronische Integration rücken daher wellenleitergekoppelte InGaAs-Photodetektoren mit exzellenter Leistung und Integrationsfähigkeit zunehmend in den Fokus der Forschung. Kommerzielle 70-GHz- und 110-GHz-InGaAs-Photosondenmodule basieren fast ausschließlich auf wellenleitergekoppelten Strukturen. Je nach Substratmaterial lassen sich wellenleitergekoppelte InGaAs-Photosonden in zwei Kategorien einteilen: InP und Si. Epitaktisches Material auf InP-Substrat zeichnet sich durch hohe Qualität aus und eignet sich besser für die Herstellung von Hochleistungsbauelementen. Diverse Fehlanpassungen zwischen III-V-Materialien, InGaAs-Materialien und auf Si-Substraten gewachsenen oder gebondeten Si-Substraten führen jedoch zu einer relativ geringen Material- oder Grenzflächenqualität, wodurch die Leistung der Bauelemente noch deutlich verbessert werden kann.