التقدم البحثي في ​​مجال كاشف الضوء InGaAs

التقدم البحثي فيكاشف ضوئي من إنديوم غاليوم أرسينيد

مع النمو الهائل في حجم نقل بيانات الاتصالات، حلت تقنية الربط البصري محل تقنية الربط الكهربائي التقليدية، وأصبحت التقنية السائدة لنقل البيانات عالي السرعة ومنخفض الفقد لمسافات متوسطة وطويلة. وباعتبارها المكون الأساسي لطرف الاستقبال البصري،كاشف ضوئيتزداد متطلبات الأداء عالي السرعة. ومن بين هذه المتطلبات، يُعدّ كاشف الضوء المقترن بالموجهات الضوئية صغير الحجم، وذو نطاق ترددي عالٍ، وسهل الدمج على شريحة واحدة مع أجهزة إلكترونية ضوئية أخرى، وهو ما يُمثّل محورًا رئيسيًا لأبحاث الكشف الضوئي عالي السرعة. ويُعتبر هذا الكاشف من أكثر كواشف الضوء تمثيلًا في نطاق اتصالات الأشعة تحت الحمراء القريبة.

يُعدّ InGaAs أحد المواد المثالية لتحقيق سرعات عالية وكاشفات ضوئية عالية الاستجابةأولًا، يُعدّ InGaAs مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق طاقة مباشرة، ويمكن التحكم في عرض فجوة نطاق طاقتها من خلال النسبة بين الإنديوم والغاليوم، مما يُمكّن من الكشف عن الإشارات الضوئية ذات الأطوال الموجية المختلفة. ومن بينها، يتطابق In0.53Ga0.47As تمامًا مع شبكة ركيزة InP، ويتميز بمعامل امتصاص ضوئي عالٍ جدًا في نطاق الاتصالات الضوئية. وهو الأكثر استخدامًا في تصنيع الكواشف الضوئية، كما يتميز بأداء فائق من حيث التيار المظلم والاستجابة. ثانيًا، تتميز كل من مادتي InGaAs وInP بسرعات انجراف إلكترونية عالية نسبيًا، حيث تبلغ سرعة انجراف الإلكترون المشبعة لكل منهما حوالي 1×10⁷ سم/ث. في الوقت نفسه، وتحت تأثير مجالات كهربائية محددة، تُظهر مادتا InGaAs وInP تأثيرات تجاوز سرعة الإلكترون، حيث تصل سرعات التجاوز إلى 4×10⁷ سم/ث و6×10⁷ سم/ث على التوالي. وهذا يُسهم في تحقيق عرض نطاق ترددي أعلى. تُعدّ كاشفات الضوء المصنوعة من إنديوم غاليوم أرسينيد (InGaAs) حاليًا الأكثر شيوعًا في مجال الاتصالات الضوئية. كما تم تطوير كاشفات أصغر حجمًا، ذات انعكاس خلفي، وذات نطاق ترددي عالٍ، تُستخدم بشكل أساسي في تطبيقات مثل السرعة العالية والتشبع العالي.

مع ذلك، ونظرًا لمحدودية طرق اقترانها، يصعب دمج كاشفات الضوء الساقط على السطح مع الأجهزة الكهروضوئية الأخرى. لذا، ومع تزايد الطلب على التكامل الكهروضوئي، أصبحت كاشفات الضوء InGaAs المقترنة بموجهات ضوئية، ذات الأداء الممتاز والمناسبة للتكامل، محورًا رئيسيًا للبحث. ومن بينها، تعتمد معظم وحدات كاشفات الضوء InGaAs التجارية بتردد 70 جيجاهرتز و110 جيجاهرتز على هياكل اقتران موجهات ضوئية. وبحسب اختلاف مواد الركيزة، يمكن تصنيف كاشفات الضوء InGaAs المقترنة بموجهات ضوئية إلى نوعين رئيسيين: كاشفات تعتمد على InP وكاشفات تعتمد على السيليكون. تتميز المادة المترسبة على ركائز InP بجودة عالية، وهي أكثر ملاءمة لتصنيع أجهزة عالية الأداء. أما بالنسبة لمواد المجموعة III-V المزروعة أو المُلصقة على ركائز السيليكون، فنظرًا لاختلافات التوافق بين مواد InGaAs وركائز السيليكون، تكون جودة المادة أو السطح البيني رديئة نسبيًا، ولا يزال هناك مجال واسع لتحسين أداء الأجهزة.

يستخدم الجهاز مادة InGaAsP بدلاً من InP في منطقة الاستنزاف. ورغم أن ذلك يقلل من سرعة انجراف الإلكترونات عند التشبع إلى حد ما، إلا أنه يحسن اقتران الضوء الساقط من الدليل الموجي بمنطقة الامتصاص. في الوقت نفسه، تُزال طبقة التلامس من النوع N المصنوعة من InGaAsP، وتُشكّل فجوة صغيرة على جانبي سطح النوع P، مما يعزز بشكل فعال تقييد مجال الضوء. وهذا يُسهم في تحقيق استجابة أعلى للجهاز.