IntroduirePhotodétecteur InGaAs
L'InGaAs est l'un des matériaux idéaux pour obtenir une réponse élevée etphotodétecteur à grande vitessePremièrement, l'InGaAs est un matériau semi-conducteur à bande interdite directe, dont la largeur peut être régulée par le rapport In/Ga, ce qui permet la détection de signaux optiques de différentes longueurs d'onde. Parmi eux, l'In0,53Ga0,47As est parfaitement adapté à la maille du substrat InP et présente un coefficient d'absorption lumineuse très élevé dans la bande de communication optique. Il est le plus largement utilisé dans la préparation dephotodétecteuret présente également les performances les plus exceptionnelles en matière de courant d'obscurité et de réactivité. Deuxièmement, les matériaux InGaAs et InP présentent des vitesses de dérive des électrons relativement élevées, leurs vitesses de dérive des électrons à saturation étant toutes deux d'environ 1 × 107 cm/s. Parallèlement, sous des champs électriques spécifiques, les matériaux InGaAs et InP présentent des effets de dépassement de vitesse des électrons, leurs vitesses de dépassement atteignant respectivement 4 × 107 cm/s et 6 × 107 cm/s. Cela permet d'obtenir une bande passante de croisement plus élevée. À l'heure actuelle, les photodétecteurs InGaAs sont les photodétecteurs les plus courants pour les communications optiques. Sur le marché, la méthode de couplage par incidence de surface est la plus courante. Des détecteurs à incidence de surface de 25 Gauds/s et 56 Gauds/s peuvent déjà être produits en série. Des détecteurs à incidence de surface de plus petite taille, à rétroincidence et à large bande passante ont également été développés, principalement pour des applications telles que la haute vitesse et la saturation élevée. Cependant, en raison des limites de leurs méthodes de couplage, les détecteurs à incidence de surface sont difficiles à intégrer à d'autres dispositifs optoélectroniques. Par conséquent, face à la demande croissante d'intégration optoélectronique, les photodétecteurs InGaAs couplés par guide d'ondes, offrant d'excellentes performances et adaptés à l'intégration, sont progressivement devenus un centre de recherche. Parmi eux, les modules photodétecteurs InGaAs commerciaux de 70 GHz et 110 GHz adoptent presque tous des structures de couplage par guide d'ondes. Selon les différents matériaux de substrat, les photodétecteurs InGaAs couplés par guide d'ondes peuvent être classés en deux types principaux : à base d'INP et à base de Si. Le matériau épitaxié sur substrats InP est de haute qualité et convient mieux à la fabrication de dispositifs hautes performances. Cependant, pour les matériaux du groupe III-V développés ou collés sur substrats Si, en raison de diverses disparités entre les matériaux InGaAs et les substrats Si, la qualité du matériau ou de l'interface est relativement médiocre, et les performances des dispositifs peuvent encore être considérablement améliorées.
La stabilité du photodétecteur dans divers environnements d'application, notamment dans des conditions extrêmes, est également un facteur clé des applications pratiques. Ces dernières années, de nouveaux types de détecteurs, tels que les matériaux pérovskites, organiques et bidimensionnels, qui ont suscité un vif intérêt, se heurtent encore à de nombreux défis en termes de stabilité à long terme, car ils sont eux-mêmes sensibles aux facteurs environnementaux. Parallèlement, le processus d'intégration de nouveaux matériaux n'est pas encore mature et des recherches plus approfondies sont nécessaires pour assurer une production à grande échelle et des performances constantes.
Bien que l'introduction d'inductances permette actuellement d'augmenter efficacement la bande passante des dispositifs, elle n'est pas répandue dans les systèmes de communication optique numérique. Par conséquent, la réduction des paramètres RC parasites des dispositifs afin d'éviter les impacts négatifs constitue l'un des axes de recherche des photodétecteurs haute vitesse. Deuxièmement, avec l'augmentation constante de la bande passante des photodétecteurs couplés à des guides d'ondes, la contrainte entre bande passante et sensibilité réapparaît. Bien que des photodétecteurs Ge/Si et InGaAs présentant une bande passante de 3 dB supérieure à 200 GHz aient été décrits, leurs sensibilités ne sont pas satisfaisantes. Augmenter la bande passante tout en maintenant une bonne sensibilité constitue un sujet de recherche important, qui pourrait nécessiter l'introduction de nouveaux matériaux compatibles avec les procédés (mobilité et coefficient d'absorption élevés) ou de nouvelles structures de dispositifs haute vitesse. De plus, avec l'augmentation de la bande passante des dispositifs, les scénarios d'application des détecteurs dans les liaisons photoniques micro-ondes se multiplieront progressivement. Contrairement à la faible incidence de puissance optique et à la détection haute sensibilité en communication optique, ce scénario, basé sur une large bande passante, nécessite une forte puissance de saturation pour une incidence de puissance élevée. Cependant, les dispositifs à large bande passante adoptent généralement des structures compactes, ce qui complique la fabrication de photodétecteurs à grande vitesse et à forte puissance de saturation. Des innovations supplémentaires pourraient être nécessaires dans l'extraction des porteurs et la dissipation thermique des dispositifs. Enfin, la réduction du courant d'obscurité des détecteurs à grande vitesse reste un problème que les photodétecteurs à désadaptation de réseau doivent résoudre. Le courant d'obscurité est principalement lié à la qualité cristalline et à l'état de surface du matériau. Par conséquent, des procédés clés tels que l'hétéroépitaxie de haute qualité ou le collage sous systèmes à désadaptation de réseau nécessitent davantage de recherche et d'investissements.
Date de publication : 20 août 2025