มีการนำเสนอโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงโดยโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs
โฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงในสาขาการสื่อสารด้วยแสง ส่วนใหญ่ประกอบด้วยโฟโตดีเทคเตอร์ III-V InGaAs และ IV full Si และ Ge/โฟโตดีเทคเตอร์ Siแบบแรกคือตัวตรวจจับอินฟราเรดใกล้แบบดั้งเดิม ซึ่งครองตลาดมาเป็นเวลานาน ในขณะที่แบบหลังอาศัยเทคโนโลยีซิลิคอนออปติกส์เพื่อก้าวขึ้นมาเป็นดาวเด่น และเป็นประเด็นร้อนในสาขาการวิจัยด้านออปโตอิเล็กทรอนิกส์ระดับนานาชาติในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นอกจากนี้ ตัวตรวจจับใหม่ที่ใช้เพอร์รอฟสไกต์ วัสดุอินทรีย์ และวัสดุสองมิติ กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วเนื่องจากข้อดีของการประมวลผลที่ง่าย ความยืดหยุ่นที่ดี และคุณสมบัติที่ปรับแต่งได้ มีความแตกต่างอย่างมากระหว่างตัวตรวจจับใหม่เหล่านี้กับตัวตรวจจับแสงอนินทรีย์แบบดั้งเดิมในด้านคุณสมบัติของวัสดุและกระบวนการผลิต ตัวตรวจจับเพอร์รอฟสไกต์มีลักษณะการดูดซับแสงที่ยอดเยี่ยมและความสามารถในการขนส่งประจุที่มีประสิทธิภาพสูง ตัวตรวจจับวัสดุอินทรีย์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากต้นทุนต่ำและอิเล็กตรอนที่ยืดหยุ่น และตัวตรวจจับวัสดุสองมิติได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์และความคล่องตัวของพาหะสูง อย่างไรก็ตาม เมื่อเทียบกับตัวตรวจจับ InGaAs และ Si/Ge ตัวตรวจจับใหม่เหล่านี้ยังคงต้องได้รับการปรับปรุงในแง่ของความเสถียรในระยะยาว ความสมบูรณ์ของการผลิต และการบูรณาการ
InGaAs เป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงและตอบสนองไว ประการแรก InGaAs เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แกปโดยตรง และความกว้างของแบนด์แกปสามารถปรับได้โดยอัตราส่วนระหว่าง In และ Ga เพื่อให้สามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันได้ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ In0.53Ga0.47As เข้ากันได้ดีกับโครงสร้างแลตติสของ InP และมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับแสงสูงในช่วงคลื่นแสงสำหรับการสื่อสาร ซึ่งเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการเตรียมโฟโตดีเทคเตอร์เครื่องตรวจจับแสงและกระแสไฟฟ้ามืดและประสิทธิภาพการตอบสนองก็ดีที่สุดเช่นกัน ประการที่สอง วัสดุ InGaAs และ InP ต่างก็มีอัตราเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูง โดยอัตราเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่อิ่มตัวอยู่ที่ประมาณ 1×10⁷ ซม./วินาที ในขณะเดียวกัน วัสดุ InGaAs และ InP ยังมีปรากฏการณ์ความเร็วอิเล็กตรอนเกิน (overshoot) ภายใต้สนามไฟฟ้าเฉพาะ โดยความเร็วที่เกินนี้สามารถแบ่งได้เป็น 4×10⁷ ซม./วินาที และ 6×10⁷ ซม./วินาที ซึ่งเอื้อต่อการสร้างแบนด์วิดท์ที่จำกัดเวลาของตัวนำไฟฟ้าที่กว้างขึ้น ปัจจุบัน โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs เป็นโฟโตดีเทคเตอร์หลักที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการสื่อสารด้วยแสง และวิธีการเชื่อมต่อแบบตกกระทบพื้นผิวเป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดในตลาด โดยมีผลิตภัณฑ์ตรวจจับแบบตกกระทบพื้นผิวที่ความเร็ว 25 Gbaud/s และ 56 Gbaud/s ออกมาแล้ว นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาตัวตรวจจับแบบตกกระทบพื้นผิวที่มีขนาดเล็กกว่า แบบตกกระทบด้านหลัง และแบบแบนด์วิดท์กว้าง ซึ่งเหมาะสำหรับแอปพลิเคชันความเร็วสูงและความอิ่มตัวสูงเป็นหลัก อย่างไรก็ตาม หัววัดแบบตกกระทบที่พื้นผิวมีข้อจำกัดในโหมดการเชื่อมต่อและยากที่จะรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกอื่นๆ ดังนั้น ด้วยการพัฒนาความต้องการในการรวมอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก หัววัดแสง InGaAs ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่นซึ่งมีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมและเหมาะสมสำหรับการรวมเข้าด้วยกันจึงค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัย โดยโมดูลหัววัดแสง InGaAs เชิงพาณิชย์ที่ความถี่ 70 GHz และ 110 GHz เกือบทั้งหมดใช้โครงสร้างที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น ตามวัสดุพื้นผิวที่แตกต่างกัน หัววัดแสง InGaAs ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่นสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท ได้แก่ InP และ Si วัสดุแบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิว InP มีคุณภาพสูงและเหมาะสมกว่าสำหรับการเตรียมอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม ความไม่เข้ากันต่างๆ ระหว่างวัสดุ III-V วัสดุ InGaAs และพื้นผิว Si ที่ปลูกหรือเชื่อมติดบนพื้นผิว Si นำไปสู่คุณภาพของวัสดุหรือส่วนต่อประสานที่ค่อนข้างต่ำ และประสิทธิภาพของอุปกรณ์ยังคงมีช่องว่างให้ปรับปรุงอีกมาก
วันที่เผยแพร่: 31 ธันวาคม 2024