Za optoelektroniku na bazi silicija, silicijumski fotodetektori (Si fotodetektor)

Za optoelektroniku na bazi silicija, silicijumski fotodetektori

Fotodetektoripretvaraju svjetlosne signale u električne signale, a kako se brzine prijenosa podataka nastavljaju poboljšavati, brzi fotodetektori integrirani s optoelektronskim platformama na bazi silicija postali su ključni za podatkovne centre i telekomunikacijske mreže sljedeće generacije. Ovaj članak će pružiti pregled naprednih brzih fotodetektora, s naglaskom na germanij na bazi silicija (Ge ili Si fotodetektor)silicijumski fotodetektoriza integriranu optoelektronsku tehnologiju.

Germanij je atraktivan materijal za detekciju bliske infracrvene svjetlosti na silicijumskim platformama jer je kompatibilan sa CMOS procesima i ima izuzetno jaku apsorpciju na telekomunikacijskim talasnim dužinama. Najčešća struktura Ge/Si fotodetektora je pin dioda, u kojoj se intrinzični germanij nalazi između P-tipa i N-tipa regija.

Struktura uređaja Slika 1 prikazuje tipičan vertikalni pin Ge iliSi fotodetektorstruktura:

Glavne karakteristike uključuju: sloj koji apsorbira germanij uzgojen na silicijskoj podlozi; Koristi se za sakupljanje p i n kontakata nosioca naboja; Sprezanje valovoda za efikasnu apsorpciju svjetlosti.

Epitaksijalni rast: Uzgoj visokokvalitetnog germanijuma na silicijumu je izazovan zbog neusklađenosti rešetke od 4,2% između dva materijala. Obično se koristi proces rasta u dva koraka: rast tampon sloja na niskoj temperaturi (300-400°C) i taloženje germanijuma na visokoj temperaturi (iznad 600°C). Ova metoda pomaže u kontroli dislokacija u obliku niti uzrokovanih neusklađenošću rešetke. Žarenje nakon rasta na 800-900°C dodatno smanjuje gustinu dislokacija u obliku niti na oko 10^7 cm^-2. Karakteristike performansi: Najnapredniji Ge/Si PIN fotodetektor može postići: brzinu odziva > 0,8A/W na 1550 nm; širinu pojasa > 60 GHz; tamnu struju < 1 μA pri -1 V prednapona.

Integracija sa optoelektronskim platformama na bazi silicija

Integracijafotodetektori velike brzineSa optoelektronskim platformama na bazi silicija omogućava napredne optičke primopredajnike i međusobne veze. Dvije glavne metode integracije su sljedeće: Integracija na prednjem kraju (FEOL), gdje se fotodetektor i tranzistor istovremeno proizvode na silicijumskoj podlozi što omogućava obradu na visokim temperaturama, ali zauzima površinu čipa. Integracija na zadnjem kraju (BEOL). Fotodetektori se proizvode na vrhu metala kako bi se izbjegla interferencija sa CMOS-om, ali su ograničeni na niže temperature obrade.

Slika 2: Brzina odziva i propusni opseg brzog Ge/Si fotodetektora

Aplikacija za podatkovni centar

Fotodetektori velike brzine su ključna komponenta u sljedećoj generaciji međusobnog povezivanja podatkovnih centara. Glavne primjene uključuju: optičke primopredajnike: brzine od 100G, 400G i veće, koristeći PAM-4 modulaciju;fotodetektor visoke propusnosti(>50 GHz) je potreban.

Optoelektronsko integrirano kolo na bazi silicija: monolitna integracija detektora s modulatorom i drugim komponentama; Kompaktan, visokoperformansni optički mehanizam.

Distribuirana arhitektura: optička međusobna povezanost distribuiranog računarstva, skladištenja i skladištenja; Poticanje potražnje za energetski efikasnim fotodetektorima velike propusnosti.

Budući izgledi

Budućnost integriranih optoelektronskih fotodetektora velike brzine pokazat će sljedeće trendove:

Veće brzine prenosa podataka: Poticanje razvoja 800G i 1.6T primopredajnika; Potrebni su fotodetektori sa propusnim opsegom većim od 100 GHz.

Poboljšana integracija: Integracija III-V materijala i silicija u jedan čip; Napredna 3D tehnologija integracije.

Novi materijali: Istraživanje dvodimenzionalnih materijala (kao što je grafen) za ultrabrzu detekciju svjetlosti; Nova legura Grupe IV za prošireno pokrivanje valnih duljina.

Nove primjene: LiDAR i druge senzorske aplikacije potiču razvoj APD-a; Primjene mikrovalnih fotona zahtijevaju fotodetektore visoke linearnosti.

Brzi fotodetektori, posebno Ge ili Si fotodetektori, postali su ključni pokretač optoelektronike na bazi silicija i optičkih komunikacija sljedeće generacije. Kontinuirani napredak u materijalima, dizajnu uređaja i tehnologijama integracije važan je za zadovoljavanje rastućih zahtjeva za propusnim opsegom budućih podatkovnih centara i telekomunikacijskih mreža. Kako se ovo područje nastavlja razvijati, možemo očekivati ​​fotodetektore s većim propusnim opsegom, nižim šumom i besprijekornom integracijom s elektroničkim i fotonskim krugovima.