InGaAs光検出器の研究の進歩

研究の進捗InGaAs光検出器

通信データ伝送量の急激な増加に伴い、光インターコネクト技術は従来の電気インターコネクト技術に取って代わり、中長距離低損失高速伝送の主流技術となっている。光受信端の中核部品として、光検出器高速性能に対する要求はますます高まっています。中でも、導波路結合型光検出器は、小型で帯域幅が広く、他の光電子デバイスとのオンチップ統合が容易であることから、高速光検出の研究の焦点となっています。近赤外線通信帯域における最も代表的な光検出器です。

InGaAsは、高速かつ高応答光検出器まず、InGaAsは直接遷移型半導体材料であり、そのバンドギャップ幅はInとGaの比率によって制御できるため、異なる波長の光信号を検出することができます。中でも、In0.53Ga0.47AsはInP基板格子と完全に整合し、光通信帯域において非常に高い光吸収係数を有しています。光検出器の製造において最も広く用いられており、暗電流と応答性能においても最も優れています。次に、InGaAs材料とInP材料はどちらも電子ドリフト速度が比較的高く、飽和電子ドリフト速度はともに約1×107cm/sです。一方、特定の電界下では、InGaAs材料とInP材料は電子速度オーバーシュート効果を示し、オーバーシュート速度はそれぞれ4×107cm/sと6×107cm/sに達します。これは、より高い交差帯域幅の実現に役立ちます。現在、光通信用光検出器としてはInGaAs光検出器が最も主流です。小型で裏面入射型、高帯域の表面入射型光検出器も開発されており、主に高速・高飽和などの用途に使用されています。

しかし、結合方法の制限により、表面入射型検出器は他の光電子デバイスとの統合が困難です。そのため、光電子集積化の需要が高まるにつれて、性能に優れ、集積化に適した導波路結合型InGaAs光検出器が徐々に研究の焦点になってきました。その中でも、市販されている70GHzおよび110GHzのInGaAs光検出器モジュールは、ほぼすべて導波路結合構造を採用しています。基板材料の違いにより、導波路結合型InGaAs光検出器は、主にINPベースとSiベースの2種類に分類できます。InP基板上にエピタキシャル成長した材料は高品質であり、高性能デバイスの製造に適しています。しかし、Si基板上に成長または結合されたIII-V族材料の場合、InGaAs材料とSi基板間のさまざまな不整合により、材料または界面の品質が比較的悪く、デバイスの性能を向上させる余地がまだかなりあります。

このデバイスは、空乏層材料としてInPではなくInGaAsPを使用しています。これにより、電子の飽和ドリフト速度はある程度低下しますが、導波路から吸収層への入射光の結合が改善されます。同時に、InGaAsP N型コンタクト層を除去し、P型表面の両側に小さなギャップを形成することで、光場の制約を効果的に強化し、デバイスの高応答性を実現します。