EinführenInGaAs-Photodetektor
InGaAs ist eines der idealen Materialien, um eine hohe Ansprechbarkeit zu erzielen undHochgeschwindigkeits-FotodetektorInGaAs ist ein Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke, dessen Bandlückenbreite durch das Verhältnis von Indium zu Gallium reguliert werden kann. Dies ermöglicht die Detektion optischer Signale unterschiedlicher Wellenlängen. In0,53Ga0,47As passt optimal in das InP-Substratgitter und weist einen sehr hohen Lichtabsorptionskoeffizienten im optischen Kommunikationsband auf. Es ist das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von …FotodetektorEs zeichnet sich außerdem durch hervorragende Dunkelstrom- und Empfindlichkeitseigenschaften aus. Zweitens weisen sowohl InGaAs als auch InP relativ hohe Elektronendriftgeschwindigkeiten auf, deren Sättigungsdriftgeschwindigkeiten jeweils bei etwa 1 × 10⁷ cm/s liegen. Unter bestimmten elektrischen Feldern zeigen InGaAs und InP zudem Überschwingeffekte der Elektronengeschwindigkeit, wobei die Überschwinggeschwindigkeiten 4 × 10⁷ cm/s bzw. 6 × 10⁷ cm/s erreichen. Dies trägt zu einer höheren Bandbreite bei. InGaAs-Photodetektoren sind derzeit die am weitesten verbreiteten Photodetektoren für die optische Kommunikation. Auf dem Markt ist die Oberflächenkopplung am gängigsten. Oberflächenkopplungsdetektoren mit 25 Gaud/s und 56 Gaud/s können bereits in Serie gefertigt werden. Kleinere, rückseitig einfallende und breitbandige Oberflächenkopplungsdetektoren wurden ebenfalls entwickelt, vor allem für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Sättigung. Aufgrund der Einschränkungen ihrer Kopplungsmethoden lassen sich oberflächeninduzierte Detektoren nur schwer mit anderen optoelektronischen Bauelementen integrieren. Daher rücken mit der steigenden Nachfrage nach optoelektronischer Integration wellenleitergekoppelte InGaAs-Photodetektoren mit exzellenter Leistung und Integrationsfähigkeit zunehmend in den Fokus der Forschung. Kommerzielle InGaAs-Photodetektormodule für 70 GHz und 110 GHz nutzen fast ausnahmslos Wellenleiterkopplungsstrukturen. Je nach Substratmaterial lassen sich wellenleitergekoppelte InGaAs-Photodetektoren in zwei Haupttypen unterteilen: INP-basierte und Si-basierte. Epitaktisch auf InP-Substraten abgeschiedene Materialien weisen eine hohe Qualität auf und eignen sich besser für die Herstellung von Hochleistungsbauelementen. Bei III-V-Materialien, die auf Si-Substraten gewachsen oder gebondet sind, ist die Material- bzw. Grenzflächenqualität aufgrund verschiedener Fehlanpassungen zwischen InGaAs-Material und Si-Substrat jedoch relativ gering, und es besteht noch erhebliches Verbesserungspotenzial hinsichtlich der Bauelementleistung.
Die Stabilität von Fotodetektoren in verschiedenen Anwendungsumgebungen, insbesondere unter extremen Bedingungen, ist ein Schlüsselfaktor für deren praktische Anwendung. In den letzten Jahren haben neue Detektortypen wie Perowskit-, organische und zweidimensionale Materialien viel Aufmerksamkeit erregt. Dennoch stehen sie aufgrund ihrer Anfälligkeit für Umwelteinflüsse weiterhin vor Herausforderungen hinsichtlich der Langzeitstabilität. Gleichzeitig ist die Integration neuer Materialien noch nicht ausgereift, und weitere Forschung ist für die Massenproduktion und eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit erforderlich.
Obwohl die Einführung von Induktivitäten die Bandbreite von Bauelementen derzeit effektiv erhöhen kann, ist sie in digitalen optischen Kommunikationssystemen nicht weit verbreitet. Daher ist die Vermeidung negativer Auswirkungen und die weitere Reduzierung der parasitären RC-Parameter des Bauelements eine der Forschungsrichtungen für Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren. Zweitens tritt mit der stetig steigenden Bandbreite von wellenleitergekoppelten Photodetektoren erneut der Zusammenhang zwischen Bandbreite und Empfindlichkeit auf. Obwohl bereits Ge/Si- und InGaAs-Photodetektoren mit einer 3-dB-Bandbreite von über 200 GHz vorgestellt wurden, ist deren Empfindlichkeit nicht zufriedenstellend. Die Steigerung der Bandbreite bei gleichzeitiger Beibehaltung einer guten Empfindlichkeit ist ein wichtiges Forschungsthema, das möglicherweise die Einführung neuer prozesskompatibler Materialien (mit hoher Mobilität und hohem Absorptionskoeffizienten) oder neuartiger Hochgeschwindigkeitsbauelementstrukturen erfordert. Darüber hinaus werden mit zunehmender Bauelementbandbreite auch die Anwendungsszenarien von Detektoren in mikrowellenphotonischen Verbindungen stetig zunehmen. Im Gegensatz zur optischen Kommunikation, bei der geringe optische Leistung und hohe Empfindlichkeit erforderlich sind, erfordert dieses Szenario aufgrund der hohen Bandbreite eine hohe Sättigungsleistung bei hoher Lichteinstrahlung. Da Breitbandbauelemente üblicherweise kleine Strukturen aufweisen, ist die Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren mit hoher Sättigungsleistung schwierig, und es bedarf weiterer Innovationen bei der Ladungsträgerextraktion und Wärmeableitung. Die Reduzierung des Dunkelstroms von Hochgeschwindigkeitsdetektoren stellt weiterhin ein Problem dar, das bei Photodetektoren mit Gitterfehlanpassung gelöst werden muss. Der Dunkelstrom hängt hauptsächlich von der Kristallqualität und dem Oberflächenzustand des Materials ab. Daher erfordern Schlüsselprozesse wie die hochwertige Heteroepitaxie oder das Bonden in Systemen mit Gitterfehlanpassung weitere Forschung und Investitionen.
Veröffentlichungsdatum: 20. August 2025