ForschungsfortschritteInGaAs-Photodetektor
Mit dem exponentiellen Wachstum des Kommunikationsdatenvolumens hat die optische Verbindungstechnologie die traditionelle elektrische Verbindungstechnologie abgelöst und sich zur Standardtechnologie für verlustarme Hochgeschwindigkeitsübertragung über mittlere und lange Distanzen entwickelt. Als Kernkomponente des optischen Empfangsgeräts ist dieFotodetektorDie Anforderungen an die Hochgeschwindigkeitsleistung steigen stetig. Wellenleitergekoppelte Photodetektoren zeichnen sich durch geringe Größe, hohe Bandbreite und einfache On-Chip-Integration mit anderen optoelektronischen Bauelementen aus und stehen daher im Fokus der Forschung zur Hochgeschwindigkeits-Photodetektion. Sie zählen zu den repräsentativsten Photodetektoren im Nahinfrarot-Kommunikationsband.
InGaAs ist eines der idealen Materialien, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen undHochempfindliche FotodetektorenErstens ist InGaAs ein Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke. Die Bandlückenbreite lässt sich durch das Verhältnis von Indium zu Gallium steuern, wodurch optische Signale unterschiedlicher Wellenlängen detektiert werden können. In0,53Ga0,47As ist optimal an das InP-Substratgitter angepasst und weist einen sehr hohen Lichtabsorptionskoeffizienten im optischen Kommunikationsband auf. Es wird häufig für die Herstellung von Photodetektoren verwendet und zeichnet sich durch hervorragende Dunkelstrom- und Empfindlichkeitseigenschaften aus. Zweitens besitzen sowohl InGaAs als auch InP relativ hohe Elektronendriftgeschwindigkeiten mit Sättigungsgeschwindigkeiten von jeweils etwa 1 × 107 cm/s. Unter bestimmten elektrischen Feldern zeigen InGaAs und InP zudem einen Überschwingeffekt der Elektronengeschwindigkeit mit Überschwinggeschwindigkeiten von 4 × 107 cm/s bzw. 6 × 107 cm/s. Dies trägt zu einer höheren Bandbreite bei. InGaAs-Photodetektoren sind derzeit die am weitesten verbreiteten Photodetektoren für die optische Kommunikation. Es wurden auch kleinere, rückseitig einfallende und breitbandige oberflächenseitig einfallende Detektoren entwickelt, die hauptsächlich in Anwendungen wie Hochgeschwindigkeits- und Hochsättigungsanwendungen eingesetzt werden.
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.
Das Bauelement verwendet InGaAsP anstelle von InP als Material für die Verarmungszone. Dies reduziert zwar die Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Elektronen, verbessert aber die Einkopplung des einfallenden Lichts vom Wellenleiter in die Absorptionszone. Gleichzeitig wird die n-leitende InGaAsP-Kontaktschicht entfernt, und auf jeder Seite der p-leitenden Oberfläche entsteht ein kleiner Spalt, wodurch die Lichtfeldbegrenzung effektiv verstärkt wird. Dies trägt zu einer höheren Empfindlichkeit des Bauelements bei.
Veröffentlichungsdatum: 28. Juli 2025