ความก้าวหน้าในการวิจัยเกี่ยวกับโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs

ความก้าวหน้าในการวิจัยของโฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs

ด้วยปริมาณการส่งข้อมูลการสื่อสารที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เทคโนโลยีการเชื่อมต่อด้วยแสงได้เข้ามาแทนที่เทคโนโลยีการเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิม และกลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการส่งข้อมูลความเร็วสูงที่มีการสูญเสียต่ำในระยะกลางและระยะไกล ในฐานะที่เป็นส่วนประกอบหลักของอุปกรณ์รับสัญญาณด้วยแสง...โฟโตดีเทคเตอร์มีความต้องการประสิทธิภาพความเร็วสูงที่สูงขึ้นเรื่อยๆ ในบรรดาอุปกรณ์ต่างๆ นั้น โฟโตดีเทคเตอร์แบบเชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่นมีขนาดเล็ก แบนด์วิดท์สูง และง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกอื่นๆ บนชิป ซึ่งเป็นจุดสนใจของการวิจัยด้านการตรวจจับแสงความเร็วสูง และเป็นโฟโตดีเทคเตอร์ที่เป็นตัวแทนมากที่สุดในย่านความถี่อินฟราเรดใกล้สำหรับการสื่อสาร

InGaAs เป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสร้างเทคโนโลยีความเร็วสูงและโฟโตดีเทคเตอร์ตอบสนองสูงประการแรก InGaAs เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แกปโดยตรง และความกว้างของแบนด์แกปสามารถควบคุมได้โดยอัตราส่วนระหว่าง In และ Ga ทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกันได้ ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ In0.53Ga0.47As เข้ากันได้ดีกับโครงสร้างแลตทิซของพื้นผิว InP และมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดซับแสงสูงมากในย่านความถี่การสื่อสารทางแสง จึงเป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการเตรียมโฟโตดีเทคเตอร์ และยังมีประสิทธิภาพกระแสไฟฟ้ามืดและการตอบสนองที่โดดเด่นที่สุดอีกด้วย ประการที่สอง ทั้งวัสดุ 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 ในปัจจุบัน โฟโตดีเทคเตอร์ InGaAs เป็นโฟโตดีเทคเตอร์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุดสำหรับการสื่อสารด้วยแสง นอกจากนี้ยังมีการพัฒนาโฟโตดีเทคเตอร์ขนาดเล็กแบบรับแสงจากด้านหลัง และแบบรับแสงจากพื้นผิวที่มีแบนด์วิดท์สูง ซึ่งส่วนใหญ่ใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น ความเร็วสูงและความอิ่มตัวสูง

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

อุปกรณ์นี้ใช้ InGaAsP แทน InP เป็นวัสดุในบริเวณที่เกิดการพร่องประจุ แม้ว่าจะลดความเร็วการเคลื่อนที่อิ่มตัวของอิเล็กตรอนลงในระดับหนึ่ง แต่ก็ช่วยปรับปรุงการเชื่อมต่อของแสงตกกระทบจากท่อนำแสงไปยังบริเวณดูดซับแสง ในขณะเดียวกัน การกำจัดชั้นสัมผัสชนิด N ของ InGaAsP และการสร้างช่องว่างเล็กๆ บนแต่ละด้านของพื้นผิวชนิด P ช่วยเพิ่มข้อจำกัดของสนามแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้อุปกรณ์มีความไวต่อแสงสูงขึ้น