Παρουσίαση του φωτοανιχνευτή InGaAs

ΠαρουσιάζωΦωτοανιχνευτής InGaAs

Το InGaAs είναι ένα από τα ιδανικά υλικά για την επίτευξη υψηλής απόκρισης καιφωτοανιχνευτής υψηλής ταχύτηταςΠρώτον, το InGaAs είναι ένα ημιαγωγικό υλικό άμεσου ενεργειακού χάσματος και το πλάτος του ενεργειακού χάσματος μπορεί να ρυθμιστεί από την αναλογία μεταξύ In και Ga, επιτρέποντας την ανίχνευση οπτικών σημάτων διαφορετικών μηκών κύματος. Μεταξύ αυτών, το In0.53Ga0.47As ταιριάζει απόλυτα με το πλέγμα υποστρώματος InP και έχει πολύ υψηλό συντελεστή απορρόφησης φωτός στη ζώνη οπτικής επικοινωνίας. Είναι το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο στην παρασκευή...φωτοανιχνευτήςκαι έχει επίσης την πιο εξαιρετική απόδοση σε σκοτεινό ρεύμα και απόκριση. Δεύτερον, τόσο τα υλικά InGaAs όσο και τα υλικά InP έχουν σχετικά υψηλές ταχύτητες ολίσθησης ηλεκτρονίων, με τις ταχύτητες κορεσμένης ολίσθησης ηλεκτρονίων να είναι περίπου 1×107cm/s. Εν τω μεταξύ, υπό συγκεκριμένα ηλεκτρικά πεδία, τα υλικά InGaAs και InP εμφανίζουν φαινόμενα υπέρβασης της ταχύτητας ηλεκτρονίων, με τις ταχύτητες υπέρβασής τους να φτάνουν τα 4×107cm/s και 6×107cm/s αντίστοιχα. Αυτό ευνοεί την επίτευξη υψηλότερου εύρους ζώνης διασταύρωσης. Προς το παρόν, οι φωτοανιχνευτές InGaAs είναι ο πιο διαδεδομένος φωτοανιχνευτής για οπτική επικοινωνία. Στην αγορά, η μέθοδος σύζευξης επιφανειακής πρόσκρουσης είναι η πιο κοινή. Προϊόντα ανιχνευτών επιφανειακής πρόσκρουσης με 25 Gaud/s και 56 Gaud/s μπορούν ήδη να παραχθούν μαζικά. Έχουν επίσης αναπτυχθεί μικρότεροι ανιχνευτές επιφανειακής πρόσκρουσης, οπισθοπορείας και υψηλού εύρους ζώνης, κυρίως για εφαρμογές όπως υψηλή ταχύτητα και υψηλός κορεσμός. Ωστόσο, λόγω των περιορισμών των μεθόδων σύζευξής τους, οι ανιχνευτές επιφανειακής πρόσκρουσης είναι δύσκολο να ενσωματωθούν με άλλες οπτοηλεκτρονικές συσκευές. Συνεπώς, με την αυξανόμενη ζήτηση για οπτοηλεκτρονική ολοκλήρωση, οι φωτοανιχνευτές InGaAs με σύζευξη κυματοδηγού, με εξαιρετική απόδοση και κατάλληλους για ολοκλήρωση, έχουν σταδιακά γίνει το επίκεντρο της έρευνας. Μεταξύ αυτών, οι εμπορικές μονάδες φωτοανιχνευτών InGaAs των 70GHz και 110GHz σχεδόν όλες υιοθετούν δομές σύζευξης κυματοδηγού. Ανάλογα με τη διαφορά στα υλικά υποστρώματος, οι φωτοανιχνευτές InGaAs με σύζευξη κυματοδηγού μπορούν να ταξινομηθούν κυρίως σε δύο τύπους: με βάση INP και με βάση Si. Το υλικό επιταξιακής εφαρμογής σε υποστρώματα InP έχει υψηλή ποιότητα και είναι πιο κατάλληλο για την κατασκευή συσκευών υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, για υλικά ομάδας III-V που αναπτύσσονται ή συνδέονται σε υποστρώματα Si, λόγω διαφόρων αναντιστοιχιών μεταξύ υλικών InGaAs και υποστρωμάτων Si, η ποιότητα του υλικού ή της διεπαφής είναι σχετικά κακή και υπάρχει ακόμη σημαντικό περιθώριο βελτίωσης στην απόδοση των συσκευών.

Η σταθερότητα του φωτοανιχνευτή σε διάφορα περιβάλλοντα εφαρμογών, ειδικά υπό ακραίες συνθήκες, είναι επίσης ένας από τους βασικούς παράγοντες στις πρακτικές εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια, νέοι τύποι ανιχνευτών όπως ο περοβσκίτης, τα οργανικά και τα δισδιάστατα υλικά, που έχουν προσελκύσει μεγάλη προσοχή, εξακολουθούν να αντιμετωπίζουν πολλές προκλήσεις όσον αφορά τη μακροπρόθεσμη σταθερότητά τους λόγω του γεγονότος ότι τα ίδια τα υλικά επηρεάζονται εύκολα από περιβαλλοντικούς παράγοντες. Εν τω μεταξύ, η διαδικασία ενσωμάτωσης νέων υλικών δεν είναι ακόμη ώριμη και απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση για παραγωγή μεγάλης κλίμακας και συνέπεια στην απόδοση.

Παρόλο που η εισαγωγή επαγωγέων μπορεί να αυξήσει αποτελεσματικά το εύρος ζώνης των συσκευών προς το παρόν, δεν είναι δημοφιλής στα ψηφιακά συστήματα οπτικών επικοινωνιών. Επομένως, ο τρόπος αποφυγής των αρνητικών επιπτώσεων για την περαιτέρω μείωση των παρασιτικών παραμέτρων RC της συσκευής είναι μια από τις ερευνητικές κατευθύνσεις των φωτοανιχνευτών υψηλής ταχύτητας. Δεύτερον, καθώς το εύρος ζώνης των φωτοανιχνευτών με κυματοδηγό συνεχίζει να αυξάνεται, ο περιορισμός μεταξύ εύρους ζώνης και απόκρισης αρχίζει να αναδύεται ξανά. Παρόλο που έχουν αναφερθεί φωτοανιχνευτές Ge/Si και φωτοανιχνευτές InGaAs με εύρος ζώνης 3dB που υπερβαίνει τα 200GHz, οι απόκρισή τους δεν είναι ικανοποιητικές. Ο τρόπος αύξησης του εύρους ζώνης διατηρώντας παράλληλα καλή απόκριση είναι ένα σημαντικό ερευνητικό θέμα, το οποίο μπορεί να απαιτήσει την εισαγωγή νέων υλικών συμβατών με τις διεργασίες (υψηλή κινητικότητα και υψηλός συντελεστής απορρόφησης) ή νέων δομών συσκευών υψηλής ταχύτητας για επίλυση. Επιπλέον, καθώς το εύρος ζώνης της συσκευής αυξάνεται, τα σενάρια εφαρμογής των ανιχνευτών σε φωτονικές ζεύξεις μικροκυμάτων θα αυξηθούν σταδιακά. Σε αντίθεση με τη μικρή οπτική ισχύ και την ανίχνευση υψηλής ευαισθησίας στην οπτική επικοινωνία, αυτό το σενάριο, με βάση το υψηλό εύρος ζώνης, έχει υψηλή ζήτηση ισχύος κορεσμού για υψηλή ισχύ. Ωστόσο, οι συσκευές υψηλού εύρους ζώνης συνήθως υιοθετούν δομές μικρού μεγέθους, επομένως δεν είναι εύκολο να κατασκευαστούν φωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτητας και υψηλής ισχύος κορεσμού, και ενδέχεται να χρειαστούν περαιτέρω καινοτομίες στην εξαγωγή φορέων και την απαγωγή θερμότητας των συσκευών. Τέλος, η μείωση του σκοτεινού ρεύματος των ανιχνευτών υψηλής ταχύτητας παραμένει ένα πρόβλημα που πρέπει να λύσουν οι φωτοανιχνευτές με ασυμφωνία πλέγματος. Το σκοτεινό ρεύμα σχετίζεται κυρίως με την ποιότητα των κρυστάλλων και την επιφανειακή κατάσταση του υλικού. Επομένως, βασικές διεργασίες όπως η ετεροεπιταξία υψηλής ποιότητας ή η συγκόλληση σε συστήματα ασυμφωνίας πλέγματος απαιτούν περισσότερη έρευνα και επενδύσεις.