ความก้าวหน้าการวิจัยเครื่องตรวจจับแสง InGaAs

ความก้าวหน้าการวิจัยของเครื่องตรวจจับภาพ InGaAs

ด้วยการเติบโตอย่างก้าวกระโดดของปริมาณการส่งข้อมูลการสื่อสาร เทคโนโลยีการเชื่อมต่อด้วยแสงได้เข้ามาแทนที่เทคโนโลยีการเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าแบบดั้งเดิม และกลายเป็นเทคโนโลยีหลักสำหรับการส่งข้อมูลความเร็วสูงที่มีการสูญเสียต่ำในระยะกลางและระยะไกล ในฐานะส่วนประกอบหลักของปลายทางรับแสงเครื่องตรวจจับภาพมีความต้องการที่สูงขึ้นเรื่อยๆ สำหรับประสิทธิภาพความเร็วสูง ในบรรดาอุปกรณ์เหล่านี้ เครื่องตรวจจับโฟโตแบบควบคู่ท่อนำคลื่นมีขนาดเล็ก มีแบนด์วิดท์สูง และง่ายต่อการติดตั้งบนชิปร่วมกับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ซึ่งเป็นจุดเน้นการวิจัยของการตรวจจับโฟโตความเร็วสูง และเป็นเครื่องตรวจจับโฟโตที่เป็นตัวแทนมากที่สุดในย่านการสื่อสารใกล้อินฟราเรด

InGaAs เป็นหนึ่งในวัสดุที่เหมาะสำหรับการสร้างความเร็วสูงและเครื่องตรวจจับแสงตอบสนองสูงประการแรก InGaAs เป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์แบบแบนด์แก๊ปโดยตรง และความกว้างของแบนด์แก๊ปสามารถควบคุมได้โดยอัตราส่วนระหว่าง In และ Ga ทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณแสงที่มีความยาวคลื่นต่างกัน ในบรรดาวัสดุเหล่านี้ In0.53Ga0.47As เข้ากันได้อย่างสมบูรณ์แบบกับโครงตาข่ายของวัสดุรองรับ InP และมีค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงสูงมากในแถบการสื่อสารด้วยแสง เป็นวัสดุที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในการเตรียมเครื่องตรวจจับแสง และยังมีประสิทธิภาพด้านกระแสมืดและการตอบสนองที่โดดเด่นที่สุด ประการที่สอง ทั้งวัสดุ InGaAs และ InP มีความเร็วดริฟต์อิเล็กตรอนที่ค่อนข้างสูง โดยความเร็วดริฟต์อิเล็กตรอนอิ่มตัวอยู่ที่ประมาณ 1×107 ซม./วินาที ในขณะเดียวกัน ภายใต้สนามไฟฟ้าจำเพาะ วัสดุ InGaAs และ InP จะแสดงผลกระทบจากการเกินความเร็วอิเล็กตรอน โดยความเร็วเกินมีค่าสูงถึง 4×107 ซม./วินาที และ 6×107 ซม./วินาที ตามลำดับ ซึ่งเอื้อต่อการสร้างแบนด์วิดท์ข้ามที่สูงขึ้น ปัจจุบันเครื่องตรวจจับแสง InGaAs เป็นเครื่องตรวจจับแสงที่ได้รับความนิยมสูงสุดสำหรับการสื่อสารด้วยแสงแบบออปติก เครื่องตรวจจับแสงพื้นผิวขนาดเล็กลง ตรวจจับการตกกระทบจากด้านหลัง และตรวจจับการตกกระทบพื้นผิวที่มีแบนด์วิดท์สูงก็ได้รับการพัฒนาขึ้นเช่นกัน โดยส่วนใหญ่ใช้ในงานที่ต้องการความเร็วสูงและมีความอิ่มตัวสูง

อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดของวิธีการเชื่อมต่อ ทำให้เครื่องตรวจจับเหตุการณ์บนพื้นผิวยากที่จะผสานรวมกับอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ดังนั้น ด้วยความต้องการการผสานรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่เพิ่มขึ้น เครื่องตรวจจับแสง InGaAs ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น (waveguide coupled) ที่มีประสิทธิภาพดีเยี่ยมและเหมาะสำหรับการผสานรวมจึงค่อยๆ กลายเป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญ ในบรรดาโมดูลเครื่องตรวจจับแสง InGaAs เชิงพาณิชย์ที่ความถี่ 70 GHz และ 110 GHz เกือบทั้งหมดใช้โครงสร้างการเชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่น เมื่อพิจารณาถึงความแตกต่างของวัสดุพื้นผิว เครื่องตรวจจับแสง InGaAs ที่เชื่อมต่อด้วยท่อนำคลื่นสามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทหลักๆ คือ แบบที่ใช้ INP และแบบที่ใช้ Si วัสดุอิพิแทกเซียลบนวัสดุพื้นผิว InP มีคุณภาพสูงและเหมาะสมกว่าสำหรับการผลิตอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง อย่างไรก็ตาม สำหรับวัสดุกลุ่ม III-V ที่ปลูกหรือเชื่อมต่อบนวัสดุพื้นผิว Si เนื่องจากความไม่ตรงกันหลายประการระหว่างวัสดุ InGaAs และวัสดุพื้นผิว Si ทำให้คุณภาพของวัสดุหรือส่วนต่อประสานค่อนข้างต่ำ และยังคงมีช่องว่างสำหรับการปรับปรุงประสิทธิภาพของอุปกรณ์อีกมาก

อุปกรณ์นี้ใช้ InGaAsP แทน InP เป็นวัสดุบริเวณพร่อง แม้ว่าจะช่วยลดความเร็วการดริฟท์อิ่มตัวของอิเล็กตรอนได้ในระดับหนึ่ง แต่ก็ช่วยเพิ่มการเชื่อมโยงของแสงตกกระทบจากท่อนำคลื่นไปยังบริเวณดูดกลืนแสง ขณะเดียวกัน ชั้นสัมผัสชนิด N ของ InGaAsP ก็ถูกกำจัดออก และเกิดช่องว่างเล็กๆ ขึ้นที่แต่ละด้านของพื้นผิวชนิด P ซึ่งช่วยเพิ่มข้อจำกัดของสนามแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ ส่งผลให้อุปกรณ์มีความไวต่อการตอบสนองที่สูงขึ้น