IntrodurreFotodiodo InGaAs
L'InGaAs è uno dei materiali ideali per ottenere un'elevata risposta efotodiodo ad alta velocitàIn primo luogo, l'InGaAs è un materiale semiconduttore a bandgap diretto, la cui ampiezza può essere regolata dal rapporto tra In e Ga, consentendo il rilevamento di segnali ottici di diverse lunghezze d'onda. Tra questi, l'In0,53Ga0,47As si adatta perfettamente al reticolo del substrato InP e presenta un coefficiente di assorbimento della luce molto elevato nella banda di comunicazione ottica. È il materiale più ampiamente utilizzato nella preparazione difotodiodoe presenta anche le prestazioni più eccezionali in termini di corrente oscura e reattività. In secondo luogo, sia i materiali InGaAs che InP presentano velocità di deriva elettronica relativamente elevate, con velocità di deriva elettronica satura pari a circa 1×107 cm/s. Nel frattempo, sotto 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 favorisce il raggiungimento di 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 incidente in superficie è il più comune. Prodotti con rivelatori incidente in superficie da 25 Gaud/s e 56 Gaud/s possono già essere prodotti in serie. Sono stati sviluppati anche rivelatori incidente in superficie di dimensioni più ridotte, retro-incidenti e ad alta larghezza di banda, principalmente per applicazioni come alta velocità e alta saturazione. Tuttavia, a causa dei limiti dei loro metodi di accoppiamento, i rivelatori di incidenti superficiali sono difficili da integrare con altri dispositivi optoelettronici. Pertanto, con la crescente domanda di integrazione optoelettronica, i fotorivelatori InGaAs accoppiati in guida d'onda con prestazioni eccellenti e 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 in guida d'onda. In base alla differenza nei materiali del substrato, i fotorivelatori InGaAs accoppiati in guida d'onda possono essere classificati principalmente in due tipologie: a base di INP e a base di 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 varie discrepanze tra i materiali InGaAs e i substrati di Si, la qualità del materiale o dell'interfaccia è relativamente scarsa e c'è ancora un ampio margine di miglioramento nelle prestazioni dei dispositivi.
La stabilità del fotodiodo in diversi ambienti applicativi, soprattutto in condizioni estreme, è anche uno dei fattori chiave nelle applicazioni pratiche. Negli ultimi anni, nuove tipologie di rivelatori come la perovskite, i materiali organici e i materiali bidimensionali, che hanno attirato molta attenzione, devono ancora affrontare numerose sfide in termini di stabilità a lungo termine, a causa del fatto che i materiali stessi sono facilmente influenzati da fattori ambientali. Nel frattempo, il processo di integrazione di 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 attualmente aumentare efficacemente la larghezza di banda dei dispositivi, questa soluzione non è diffusa nei sistemi di comunicazione ottica digitale. Pertanto, uno degli obiettivi di ricerca sui fotorivelatori ad alta velocità è come evitare impatti negativi riducendo ulteriormente i parametri RC parassiti del dispositivo. In secondo luogo, con l'aumento della larghezza di banda dei fotorivelatori accoppiati in guida d'onda, il vincolo tra larghezza di banda e reattività inizia a riemergere. Sebbene siano stati segnalati fotorivelatori Ge/Si e fotorivelatori InGaAs con una larghezza di banda di 3 dB superiore a 200 GHz, la loro reattività non è soddisfacente. Come aumentare la larghezza di banda mantenendo una buona reattività 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 incidenza di potenza ottica e dell'elevata sensibilità di rilevamento nelle comunicazioni ottiche, questo scenario, sulla base dell'elevata larghezza di banda, richiede un'elevata potenza di saturazione per un'incidenza di potenza elevata. Tuttavia, i dispositivi ad alta larghezza di banda adottano solitamente strutture di piccole dimensioni, quindi non è facile realizzare fotorivelatori ad alta velocità e ad alta potenza di saturazione, e potrebbero essere necessarie ulteriori innovazioni nell'estrazione dei portatori e nella dissipazione del calore dei dispositivi. Infine, la riduzione della corrente oscura dei rivelatori ad alta velocità rimane un problema che i fotorivelatori con disadattamento reticolare devono risolvere. La corrente oscura 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 maggiore ricerca e investimenti.
Data di pubblicazione: 20-08-2025