InGaAs光検出器の研究進捗状況

研究の進捗状況InGaAs光検出器

通信データ伝送量の爆発的な増加に伴い、光相互接続技術は従来の電気相互接続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ます。光受信端の中核コンポーネントとして、光検出器高速性能に対する要求はますます高まっている。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集積が容易であるため、高速光検出の研究対象となっている。 と は、近赤外通信帯域で最も代表的な光検出器である。

InGaAsは高速化と高速化を実現するための理想的な材料の一つです。高応答光検出器まず、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るため、異なる波長の光信号を検出できます。中でも、In0.53Ga0.47AsはInP基板格子と完全に整合しており、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。これは光検出器の製造に最も広く使用されており、暗電流と応答性においても最も優れた性能を発揮します。次に、InGaAsとInP材料はどちらも比較的高い電子ドリフト速度を有しており、飽和電子ドリフト速度はどちらも約1×10⁷cm/sです。また、特定の電界下では、InGaAs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、より高いクロッシング帯域幅を実現するのに有利です。現在、InGaAs光検出器は光通信において最も主流の光検出器となっています。小型で後方入射型、高帯域幅の表面入射型検出器も開発されており、主に高速・高飽和などの用途で使用されている。

しかし、表面入射型検出器は結合方法の制約により、他の光電子デバイスとの統合が困難です。そのため、光電子統合の需要の高まりに伴い、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っています。中でも、70GHzおよび110GHzの市販InGaAsフォトディテクタ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フォトディテクタは主に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させた材料は高品質で、高性能デバイスの製造により適しています。しかし、Si基板上に成長または接合したIII-V族材料の場合、InGaAs材料とSi基板間のさまざまなミスマッチにより、材料または界面の品質が比較的劣り、デバイスの性能にはまだかなりの改善の余地があります。

このデバイスは、空乏層材料としてInPの代わりにInGaAsPを使用している。これにより、電子の飽和ドリフト速度はある程度低下するものの、導波路から吸収層への入射光の結合が向上する。同時に、InGaAsPのN型コンタクト層が除去され、P型表面の両側に小さなギャップが形成されることで、光場の制約が効果的に強化される。これは、デバイスの応答性向上に貢献する。