EinführenInGaAs-Fotodetektor
InGaAs ist eines der idealen Materialien für die Erzielung einer hohen Reaktionsgeschwindigkeit undHochgeschwindigkeits-Fotodetektor. Erstens ist InGaAs ein Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke. Seine Bandlückenbreite kann durch das Verhältnis zwischen In und Ga reguliert werden, wodurch die Erfassung optischer Signale unterschiedlicher Wellenlängen ermöglicht wird. Unter diesen ist In0,53Ga0,47As perfekt auf das InP-Substratgitter abgestimmt und weist einen sehr hohen Lichtabsorptionskoeffizienten im optischen Kommunikationsband auf. Es wird am häufigsten bei der Herstellung vonFotodetektorund hat auch die herausragendsten Dunkelstrom- und Empfindlichkeitsleistungen. Zweitens haben sowohl InGaAs- als auch InP-Materialien relativ hohe Elektronendriftgeschwindigkeiten, wobei ihre gesättigten Elektronendriftgeschwindigkeiten beide ungefähr 1×107cm/s betragen. Unter bestimmten elektrischen Feldern zeigen InGaAs- und InP-Materialien Überschwingeffekte der Elektronengeschwindigkeit, wobei ihre Überschwinggeschwindigkeiten 4×107cm/s bzw. 6×107cm/s erreichen. Dies trägt zum Erreichen einer höheren Übergangsbandbreite bei. Derzeit sind InGaAs-Fotodetektoren die gängigsten Fotodetektoren für die optische Kommunikation. Auf dem Markt ist die Oberflächeneinfallskopplungsmethode die gebräuchlichste. Oberflächeneinfallsdetektorprodukte mit 25 Gaud/s und 56 Gaud/s können bereits in Massenproduktion hergestellt werden. Es wurden auch kleinere, rückseitig einfallende und bandbreitenstarke Oberflächeneinfallsdetektoren entwickelt, hauptsächlich für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Sättigung. Aufgrund der Beschränkungen ihrer Kopplungsmethoden lassen sich Oberflächeneinfallsdetektoren jedoch nur schwer in andere optoelektronische Geräte integrieren. Mit der steigenden Nachfrage nach optoelektronischer Integration rücken daher leistungsfähige und integrierbare wellenleitergekoppelte InGaAs-Fotodetektoren nach und nach in den Fokus der Forschung. Unter diesen verwenden fast alle kommerziellen InGaAs-Fotodetektormodule mit 70 GHz und 110 GHz Wellenleiterkopplungsstrukturen. Je nach den unterschiedlichen Substratmaterialien lassen sich wellenleitergekoppelte InGaAs-Fotodetektoren hauptsächlich in zwei Typen einteilen: INP-basiert und Si-basiert. Das auf InP-Substraten epitaktisch aufgebrachte Material ist von hoher Qualität und eignet sich besser für die Herstellung von Hochleistungsgeräten. Bei auf Si-Substraten gewachsenen oder gebundenen Materialien der Gruppe III–V ist die Material- bzw. Grenzflächenqualität jedoch aufgrund verschiedener Fehlanpassungen zwischen InGaAs-Materialien und Si-Substraten relativ schlecht, und die Leistung der Geräte kann noch erheblich verbessert werden.
Die Stabilität von Fotodetektoren in verschiedenen Anwendungsumgebungen, insbesondere unter extremen Bedingungen, ist ebenfalls ein Schlüsselfaktor für die praktische Anwendung. Neue Detektortypen wie Perowskit, organische und zweidimensionale Materialien, die in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit erregt haben, stehen hinsichtlich ihrer Langzeitstabilität noch immer vor vielen Herausforderungen, da die Materialien selbst leicht durch Umwelteinflüsse beeinflusst werden. Gleichzeitig ist der Integrationsprozess neuer Materialien noch nicht ausgereift, und für die Massenproduktion und Leistungskonsistenz sind weitere Untersuchungen erforderlich.
Obwohl die Bandbreite von Geräten derzeit durch die Einführung von Induktoren effektiv erhöht werden kann, ist dies in digitalen optischen Kommunikationssystemen nicht weit verbreitet. Eine der Forschungsrichtungen im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren besteht daher darin, negative Auswirkungen zu vermeiden und die parasitären RC-Parameter des Geräts weiter zu reduzieren. Zweitens tritt mit der zunehmenden Bandbreite wellenleitergekoppelter Fotodetektoren erneut die Einschränkung zwischen Bandbreite und Empfindlichkeit auf. Obwohl über Ge/Si-Fotodetektoren und InGaAs-Fotodetektoren mit einer 3-dB-Bandbreite von über 200 GHz berichtet wurde, ist ihre Empfindlichkeit nicht zufriedenstellend. Die Erhöhung der Bandbreite bei gleichzeitig guter Empfindlichkeit ist ein wichtiges Forschungsthema, für dessen Lösung möglicherweise die Einführung neuer prozesskompatibler Materialien (hohe Mobilität und hoher Absorptionskoeffizient) oder neuartiger Hochgeschwindigkeits-Gerätestrukturen erforderlich ist. Darüber hinaus werden mit der zunehmenden Gerätebandbreite auch die Anwendungsszenarien von Detektoren in Mikrowellen-Photonikverbindungen schrittweise zunehmen. Anders als bei der optischen Kommunikation mit geringer optischer Leistung und hochempfindlicher Detektion ist in diesem Szenario aufgrund der hohen Bandbreite ein hoher Sättigungsleistungsbedarf für hohe Leistungen erforderlich. Geräte mit hoher Bandbreite haben jedoch üblicherweise kleine Strukturen, sodass die Herstellung von Fotodetektoren mit hoher Geschwindigkeit und hoher Sättigungsleistung nicht einfach ist und weitere Innovationen bei der Trägerextraktion und Wärmeableitung der Geräte erforderlich sein können. Schließlich bleibt die Reduzierung des Dunkelstroms von Hochgeschwindigkeitsdetektoren ein Problem, das bei Fotodetektoren mit Gitterfehlanpassung gelöst werden muss. Der Dunkelstrom hängt hauptsächlich von der Kristallqualität und dem Oberflächenzustand des Materials ab. Daher erfordern Schlüsselprozesse wie hochwertige Heteroepitaxie oder das Bonden unter Gitterfehlanpassungssystemen mehr Forschung und Investitionen.
Veröffentlichungszeit: 20. August 2025