IntrodurreFotorivelatore InGaAs
InGaAs è uno dei materiali ideali per ottenere una risposta elevata efotorivelatore ad alta velocitàIn primo luogo, InGaAs è un materiale semiconduttore a bandgap diretto e la sua larghezza di bandgap può essere regolata dal rapporto tra In e Ga, consentendo il rilevamento di segnali ottici di diverse lunghezze d'onda. Tra questi, In0.53Ga0.47As è perfettamente compatibile con il reticolo del substrato InP e ha un coefficiente di assorbimento della luce molto elevato nella banda di comunicazione ottica. È il più ampiamente utilizzato nella preparazione difotorivelatoreInoltre, presenta le migliori prestazioni in termini di corrente di buio e responsività. In secondo luogo, sia i materiali InGaAs che InP hanno velocità di deriva elettronica relativamente elevate, con velocità di deriva elettronica di saturazione pari a circa 1×10⁷ cm/s. Allo stesso tempo, in presenza di specifici campi elettrici, i materiali InGaAs e InP mostrano effetti di overshoot della velocità elettronica, con velocità di overshoot che raggiungono rispettivamente 4×10⁷ cm/s e 6×10⁷ cm/s. Ciò contribuisce a ottenere una maggiore larghezza di banda di attraversamento. Attualmente, i fotorivelatori InGaAs sono i fotorivelatori più diffusi per le comunicazioni ottiche. Sul mercato, il metodo di accoppiamento a incidenza superficiale è il più comune. I prodotti con rivelatori a incidenza superficiale con 25 Gaud/s e 56 Gaud/s sono già in produzione di massa. Sono stati sviluppati anche rivelatori a incidenza superficiale di dimensioni più ridotte, a incidenza posteriore e ad alta larghezza di banda, principalmente per applicazioni quali alta velocità e alta saturazione. Tuttavia, a causa delle limitazioni dei loro metodi di accoppiamento, i fotorivelatori a incidenza superficiale sono difficili da integrare con altri dispositivi optoelettronici. Pertanto, con la crescente domanda di integrazione optoelettronica, i fotorivelatori InGaAs accoppiati a guida d'onda, che offrono prestazioni eccellenti e sono adatti all'integrazione, sono gradualmente diventati il fulcro della ricerca. Tra questi, i moduli fotorivelatori InGaAs commerciali da 70 GHz e 110 GHz adottano quasi tutti strutture di accoppiamento a guida d'onda. In base alla differenza nei materiali del substrato, i fotorivelatori InGaAs accoppiati a guida d'onda possono essere classificati principalmente in due tipi: basati su INP e basati su Si. Il materiale epitassiale su substrati di InP ha un'elevata qualità ed è più adatto alla fabbricazione di dispositivi ad alte prestazioni. Tuttavia, per i materiali del gruppo III-V cresciuti o legati su substrati di Si, a causa di vari disallineamenti tra i materiali InGaAs e i substrati di Si, la qualità del materiale o dell'interfaccia è relativamente scarsa e vi è ancora un notevole margine di miglioramento nelle prestazioni dei dispositivi.
La stabilità dei fotorivelatori in diversi ambienti applicativi, soprattutto in condizioni estreme, è uno dei fattori chiave per le applicazioni pratiche. Negli ultimi anni, i nuovi tipi di rivelatori, come quelli a base di perovskite, materiali organici e bidimensionali, che hanno suscitato grande interesse, presentano ancora numerose sfide in termini di stabilità a lungo termine, poiché i materiali stessi sono facilmente influenzabili dai fattori ambientali. Allo stesso tempo, il processo di integrazione dei nuovi materiali non è ancora maturo e sono necessarie ulteriori ricerche per la produzione su larga scala e la costanza delle prestazioni.
Sebbene l'introduzione di induttori possa effettivamente aumentare la larghezza di banda dei dispositivi attualmente disponibili, non è una soluzione diffusa nei sistemi di comunicazione ottica digitale. Pertanto, come evitare impatti negativi per ridurre ulteriormente i parametri RC parassiti del dispositivo rappresenta una delle direzioni di ricerca per i fotorivelatori ad alta velocità. In secondo luogo, con l'aumento della larghezza di banda dei fotorivelatori accoppiati a guida d'onda, emerge nuovamente il vincolo tra larghezza di banda e responsività. Sebbene siano stati riportati fotorivelatori Ge/Si e InGaAs con una larghezza di banda a 3 dB superiore a 200 GHz, la loro responsività non è soddisfacente. Come aumentare la larghezza di banda mantenendo una buona responsività è un importante argomento di ricerca, che potrebbe richiedere l'introduzione di nuovi materiali compatibili con il processo (elevata mobilità e alto coefficiente di assorbimento) o nuove strutture di dispositivi ad alta velocità. Inoltre, con l'aumento della larghezza di banda dei dispositivi, aumenteranno gradualmente gli scenari applicativi dei rivelatori nei collegamenti fotonici a microonde. A differenza della bassa potenza ottica incidente e dell'elevata sensibilità di rilevamento nelle comunicazioni ottiche, questo scenario, basato su un'ampia larghezza di banda, richiede un'elevata potenza di saturazione per un'incidenza ad alta potenza. Tuttavia, i dispositivi ad alta larghezza di banda solitamente adottano strutture di piccole dimensioni, quindi non è facile fabbricare fotorivelatori ad alta velocità e ad alta potenza di saturazione, e potrebbero essere necessarie ulteriori innovazioni nell'estrazione dei portatori di carica e nella dissipazione del calore dei dispositivi. Infine, la riduzione della corrente di buio dei rivelatori ad alta velocità rimane un problema che i fotorivelatori con disadattamento reticolare devono risolvere. La corrente di buio è principalmente correlata alla qualità cristallina e allo stato superficiale del materiale. Pertanto, processi chiave come l'eteroepitassia di alta qualità o il bonding in sistemi con disadattamento reticolare richiedono ulteriori ricerche e investimenti.
Data di pubblicazione: 20 agosto 2025