InGaAs-valodetektorit esittelevät nopeat valoilmaisimet

Nopeat fotodetektorit esitteleeInGaAs-valodetektorit

Nopeat valoilmaisimetoptisen viestinnän alalla pääasiassa III-V InGaAs -valodetektorit ja IV full Si ja Ge/Si fotodetektorit. Ensimmäinen on perinteinen lähi-infrapunailmaisin, joka on ollut hallitseva jo pitkään, kun taas jälkimmäinen luottaa piioptiseen teknologiaan nousevaksi tähdeksi ja on viime vuosien kuuma paikka kansainvälisen optoelektroniikan tutkimuksen alalla. Lisäksi uudet perovskiitteihin, orgaanisiin ja kaksiulotteisiin materiaaleihin perustuvat ilmaisimet kehittyvät nopeasti helpon prosessoinnin, hyvän joustavuuden ja viritettävien ominaisuuksien ansiosta. Näiden uusien ilmaisimien ja perinteisten epäorgaanisten valoilmaisimien välillä on merkittäviä eroja materiaaliominaisuuksissa ja valmistusprosesseissa. Perovskiittiilmaisimilla on erinomaiset valon absorptio-ominaisuudet ja tehokas varauksensiirtokapasiteetti, orgaanisten materiaalien ilmaisimia käytetään laajalti halpojen ja joustavien elektronien vuoksi, ja kaksiulotteiset materiaaliilmaisimet ovat herättäneet paljon huomiota ainutlaatuisten fysikaalisten ominaisuuksiensa ja suuren kantoaaltoliikkuvuuden vuoksi. InGaAs- ja Si/Ge-ilmaisimiin verrattuna uusia ilmaisimia on kuitenkin vielä parannettava pitkän aikavälin vakauden, valmistuksen kypsyyden ja integroinnin suhteen.

InGaAs on yksi ihanteellisista materiaaleista nopeiden ja korkeavasteisten valoilmaisimien toteuttamiseen. Ensinnäkin InGaAs on suorakaistainen puolijohdemateriaali, ja sen kaistavälin leveyttä voidaan säädellä In:n ja Ga:n välisellä suhteella eri aallonpituuksien optisten signaalien havaitsemiseksi. Niistä In0.53Ga0.47As sopii täydellisesti InP:n substraattihilan kanssa, ja sillä on suuri valon absorptiokerroin optisella tiedonsiirtokaistalla, jota käytetään laajimmin valmistettaessavaloilmaisimet, ja tumma virta ja reagointikyky ovat myös parhaat. Toiseksi, InGaAs- ja InP-materiaaleilla on molemmilla suuri elektronien ryömintänopeus, ja niiden tyydyttyneiden elektronien ajautumisnopeus on noin 1 × 107 cm/s. Samaan aikaan InGaAs- ja InP-materiaaleilla on elektroninopeuden ylitysvaikutus tietyssä sähkökentässä. Ylitysnopeus voidaan jakaa 4 × 107 cm/s ja 6 × 107 cm/s, mikä mahdollistaa suuremman kantoaallon aikarajoitetun kaistanleveyden toteuttamisen. Tällä hetkellä InGaAs-valodetektori on valtavirran optisen viestinnän valoilmaisin, ja markkinoilla käytetään enimmäkseen pintatulon kytkentämenetelmää, ja 25 Gbaud/s ja 56 Gbaud/s pintatuloilmaisintuotteet on toteutettu. Myös pienemmän koon, takaisintulon ja suuren kaistanleveyden pintatuloilmaisimia on kehitetty, jotka soveltuvat pääasiassa nopeisiin ja suuren kyllästymissovelluksiin. Pintaan tulevaa koetinta rajoittaa kuitenkin sen kytkentätila, ja sitä on vaikea integroida muihin optoelektronisiin laitteisiin. Siksi optoelektronisten integraatiovaatimusten parantuessa erinomaisen suorituskyvyn omaavat ja integroitavaksi soveltuvat aaltoputkikytketyt InGaAs-valoilmaisimet ovat vähitellen nousseet tutkimuksen painopisteeksi, joista kaupalliset 70 GHz ja 110 GHz InGaAs-valoanturimoduulit käyttävät lähes kaikki aaltoputkikytkentäisiä rakenteita. Eri substraattimateriaalien mukaan aaltoputkikytkentä InGaAs valosähköinen anturi voidaan jakaa kahteen luokkaan: InP ja Si. InP-substraatilla oleva epitaksiaalinen materiaali on korkealaatuista ja soveltuu paremmin korkean suorituskyvyn laitteiden valmistukseen. Erilaiset ristiriidat III-V-materiaalien, InGaAs-materiaalien ja Si-substraateille kasvatettujen tai liimattujen Si-substraattien välillä johtavat kuitenkin suhteellisen huonoon materiaalin tai rajapinnan laatuun, ja laitteen suorituskyvyssä on vielä paljon parantamisen varaa.