InGaAs เป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างการตอบสนองที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพสูงโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงประการแรก InGaAs เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แกปโดยตรง และความกว้างของแบนด์แกปสามารถควบคุมได้โดยอัตราส่วนระหว่าง In และ Ga ทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันได้ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ In0.53Ga0.47As เข้ากันได้ดีกับโครงสร้างแลตทิซของพื้นผิว InP และมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับแสงสูงมากในช่วงคลื่นแสงสำหรับการสื่อสาร จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการเตรียมวัสดุต่างๆโฟโตดีเทคเตอร์และยังมีประสิทธิภาพด้านกระแสไฟฟ้ามืดและการตอบสนองที่โดดเด่นที่สุดอีกด้วย ประการที่สอง วัสดุ InGaAs และ InP มีความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนค่อนข้างสูง โดยความเร็วการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนที่อิ่มตัวอยู่ที่ประมาณ 1×10⁷ ซม./วินาที ในขณะเดียวกัน ภายใต้สนามไฟฟ้าเฉพาะ วัสดุ InGaAs และ InP จะแสดงปรากฏการณ์ความเร็วอิเล็กตรอนเกิน โดยความเร็วเกินจะสูงถึง 4×10⁷ ซม./วินาที และ 6×10⁷ ซม./วินาที ตามลำดับ ซึ่งเอื้อต่อการบรรลุแบนด์วิดท์การตัดผ่านที่สูงขึ้น ปัจจุบัน โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs เป็นโฟโตดีเทคเตอร์หลักที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับการสื่อสารด้วยแสง ในตลาด วิธีการเชื่อมต่อแบบตกกระทบพื้นผิวเป็นวิธีที่พบมากที่สุด ผลิตภัณฑ์ตรวจจับแบบตกกระทบพื้นผิวที่มี 25 Gaud/s และ 56 Gaud/s สามารถผลิตได้ในปริมาณมากแล้ว นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาตัวตรวจจับแบบตกกระทบพื้นผิวที่มีขนาดเล็กกว่า แบบตกกระทบด้านหลัง และแบบแบนด์วิดท์สูง โดยส่วนใหญ่สำหรับการใช้งานเช่นความเร็วสูงและความอิ่มตัวสูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของวิธีการเชื่อมต่อ ทำให้ตัวตรวจจับแสงแบบตกกระทบพื้นผิว (Surface Incident Detector) ยากที่จะรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกอื่นๆ ดังนั้น ด้วยความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับการรวมอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติก ตัวตรวจจับแสง InGaAs ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น (Waveguide Coupled Photodetector) ที่มีประสิทธิภาพยอดเยี่ยมและเหมาะสมสำหรับการรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ จึงค่อยๆ กลายเป็นจุดสนใจของการวิจัย ในบรรดาตัวตรวจจับแสงเหล่านี้ โมดูลตัวตรวจจับแสง InGaAs เชิงพาณิชย์ที่ความถี่ 70GHz และ 110GHz เกือบทั้งหมดใช้โครงสร้างการเชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น ตามความแตกต่างของวัสดุพื้นผิว ตัวตรวจจับแสง InGaAs ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่นสามารถจำแนกได้เป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ แบบใช้ INP และแบบใช้ Si วัสดุที่ปลูกแบบเอพิแทกเซียลบนพื้นผิว InP มีคุณภาพสูงและเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตอุปกรณ์ที่มีประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุกลุ่ม III-V ที่ปลูกหรือเชื่อมต่อบนพื้นผิว Si เนื่องจากความไม่เข้ากันต่างๆ ระหว่างวัสดุ InGaAs และพื้นผิว Si คุณภาพของวัสดุหรือส่วนต่อประสานจึงค่อนข้างต่ำ และยังมีช่องว่างอีกมากสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์
ความเสถียรของโฟโตดีเทคเตอร์ในสภาพแวดล้อมการใช้งานต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะสุดขั้ว ถือเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญในการใช้งานจริง ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ดีเทคเตอร์ชนิดใหม่ เช่น เพอร์รอฟสไกต์ วัสดุอินทรีย์ และวัสดุสองมิติ ซึ่งได้รับความสนใจอย่างมาก ยังคงเผชิญกับความท้าทายมากมายในแง่ของความเสถียรในระยะยาว เนื่องจากวัสดุเหล่านั้นได้รับผลกระทบจากปัจจัยแวดล้อมได้ง่าย ในขณะเดียวกัน กระบวนการบูรณาการวัสดุใหม่ยังไม่สมบูรณ์ และยังจำเป็นต้องมีการสำรวจเพิ่มเติมเพื่อการผลิตในปริมาณมากและความสม่ำเสมอของประสิทธิภาพ
แม้ว่าการใช้ตัวเหนี่ยวนำจะช่วยเพิ่มแบนด์วิดท์ของอุปกรณ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพในปัจจุบัน แต่ก็ยังไม่เป็นที่นิยมในระบบสื่อสารด้วยแสงแบบดิจิทัล ดังนั้น วิธีหลีกเลี่ยงผลกระทบเชิงลบเพื่อลดพารามิเตอร์ RC ที่เป็นปรสิตของอุปกรณ์ลงอีก จึงเป็นหนึ่งในทิศทางการวิจัยของโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูง ประการที่สอง เมื่อแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์แบบต่อกับท่อนำคลื่นเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ข้อจำกัดระหว่างแบนด์วิดท์และความไวในการตอบสนองก็เริ่มปรากฏขึ้นอีกครั้ง แม้ว่าจะมีรายงานเกี่ยวกับโฟโตดีเทคเตอร์ Ge/Si และโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs ที่มีแบนด์วิดท์ 3dB เกิน 200GHz แล้ว แต่ความไวในการตอบสนองก็ยังไม่เป็นที่น่าพอใจ การเพิ่มแบนด์วิดท์ในขณะที่ยังคงรักษาความไวในการตอบสนองที่ดีไว้ได้นั้นเป็นหัวข้อการวิจัยที่สำคัญ ซึ่งอาจต้องมีการนำวัสดุใหม่ที่เข้ากันได้กับกระบวนการผลิต (ความคล่องตัวสูงและค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับสูง) หรือโครงสร้างอุปกรณ์ความเร็วสูงแบบใหม่มาใช้เพื่อแก้ปัญหา นอกจากนี้ เมื่อแบนด์วิดท์ของอุปกรณ์เพิ่มขึ้น สถานการณ์การใช้งานของตัวตรวจจับในลิงก์โฟโตนิกไมโครเวฟก็จะเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ แตกต่างจากการสื่อสารด้วยแสงที่มีกำลังแสงตกกระทบต่ำและการตรวจจับที่มีความไวสูง สถานการณ์นี้บนพื้นฐานของแบนด์วิดท์สูง มีความต้องการกำลังอิ่มตัวสูงสำหรับการตกกระทบที่มีกำลังสูง อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ที่มีแบนด์วิดท์สูงมักใช้โครงสร้างขนาดเล็ก ดังนั้นจึงไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะผลิตโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงและกำลังอิ่มตัวสูง และอาจจำเป็นต้องมีการพัฒนาเพิ่มเติมในการสกัดตัวนำและการระบายความร้อนของอุปกรณ์ สุดท้าย การลดกระแสไฟฟ้ามืดของตัวตรวจจับความเร็วสูงยังคงเป็นปัญหาที่โฟโตดีเทคเตอร์ที่มีความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึกจำเป็นต้องแก้ไข กระแสไฟฟ้ามืดส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับคุณภาพของผลึกและสถานะพื้นผิวของวัสดุ ดังนั้น กระบวนการสำคัญ เช่น การปลูกผลึกแบบเฮเทอโรเอพิแท็กซีคุณภาพสูง หรือการเชื่อมต่อภายใต้ระบบที่มีความไม่เข้ากันของโครงสร้างผลึก จึงต้องการการวิจัยและการลงทุนเพิ่มเติม
วันที่เผยแพร่: 20 สิงหาคม 2568