高速光検出器はInGaAs光検出器によって導入された。

高速光検出器はInGaAs光検出器

高速光検出器光通信の分野では、主にIII-V族InGaAsフォトディテクタとIV族フルSiおよびGe/Si光検出器前者は長らく主流であった従来の近赤外線検出器であり、後者はシリコン光学技術を基盤として台頭し、近年の国際的な光電子工学研究のホットスポットとなっている。さらに、ペロブスカイト、有機材料、二次元材料をベースとした新しい検出器は、加工の容易さ、優れた柔軟性、調整可能な特性といった利点から急速に発展している。これらの新しい検出器と従来の無機光検出器の間には、材料特性や製造プロセスにおいて大きな違いがある。ペロブスカイト検出器は優れた光吸収特性と効率的な電荷輸送能力を持ち、有機材料検出器は低コストで柔軟な電子輸送が可能であるため広く利用されており、二次元材料検出器は独自の物理的特性と高いキャリア移動度により大きな注目を集めている。しかし、InG​​aAsやSi/Ge検出器と比較すると、新しい検出器は長期安定性、製造成熟度、集積化の面でまだ改善の余地がある。

InGaAsは、高速かつ高応答の光検出器を実現するための理想的な材料の一つです。まず、InGaAsは直接バンドギャップ半導体材料であり、そのバンドギャップ幅はInとGaの比率によって調整でき、異なる波長の光信号の検出を実現できます。中でも、In0.53Ga0.47AsはInPの基板格子と完全に整合しており、光通信帯域で大きな光吸収係数を持つため、光検出器の製造に最も広く使用されています。光検出器また、暗電流と応答性能も最高です。 第二に、InGaAsとInP材料はどちらも電子ドリフト速度が高く、飽和電子ドリフト速度は約1×10⁷ cm/sです。同時に、InGaAsとInP材料は特定の電界下で電子速度オーバーシュート効果を持ちます。オーバーシュート速度は4×10⁷ cm/sと6×10⁷ cm/sに分けられ、より広いキャリア時間制限帯域幅の実現に有利です。現在、InGaAsフォトディテクタは光通信用フォトディテクタの主流であり、表面入射結合方式が市場で主に使用されており、25 Gbaud/sと56 Gbaud/sの表面入射検出器製品が実現されています。小型で背面入射、広帯域幅の表面入射検出器も開発されており、主に高速で高飽和のアプリケーションに適しています。しかし、表面入射プローブは結合モードに制限があり、他の光電子デバイスとの統合が困難です。そのため、光電子統合の要求が高まるにつれて、優れた性能を持ち、統合に適した導波路結合型InGaAsフォトディテクタが徐々に研究の焦点となり、その中でも市販の70GHzおよび110GHz InGaAsフォトプローブモジュールはほぼすべて導波路結合構造を使用しています。異なる基板材料に応じて、導波路結合型InGaAs光電プローブはInPとSiの2つのカテゴリに分類できます。InP基板上のエピタキシャル材料は高品質で、高性能デバイスの製造により適しています。しかし、III-V族材料、InGaAs材料、Si基板間のさまざまなミスマッチにより、Si基板上に成長または接合された材料または界面の品質が比較的低く、デバイスの性能にはまだ大きな改善の余地があります。