Pro optoelektroniku na bázi křemíku, křemíkové fotodetektory (Si fotodetektor)

Pro optoelektroniku na bázi křemíku, křemíkové fotodetektory

Fotodetektorypřevádějí světelné signály na elektrické signály a s rostoucí rychlostí přenosu dat se vysokorychlostní fotodetektory integrované s optoelektronickými platformami na bázi křemíku staly klíčem k datovým centrům a telekomunikačním sítím nové generace. Tento článek poskytne přehled pokročilých vysokorychlostních fotodetektorů s důrazem na germanium na bázi křemíku (fotodetektor Ge nebo Si).křemíkové fotodetektorypro integrovanou optoelektronickou technologii.

Germanium je atraktivní materiál pro detekci blízkého infračerveného záření na křemíkových platformách, protože je kompatibilní s CMOS procesy a má extrémně silnou absorpci na telekomunikačních vlnových délkách. Nejběžnější strukturou Ge/Si fotodetektoru je pin dioda, ve které je vlastní germanium vloženo mezi oblasti typu P a typu N.

Struktura zařízení Obrázek 1 znázorňuje typický vertikální pin Ge neboSi fotodetektorstruktura:

Mezi hlavní vlastnosti patří: germaniová absorpční vrstva narostlá na křemíkovém substrátu; použití ke sběru p a n kontaktů nosičů náboje; vlnovodová vazba pro efektivní absorpci světla.

Epitaxní růst: Pěstování vysoce kvalitního germania na křemíku je náročné kvůli 4,2% mřížkovému nesouladu mezi těmito dvěma materiály. Obvykle se používá dvoustupňový proces růstu: růst nárazníkové vrstvy za nízkých teplot (300–400 °C) a vysokoteplotní (nad 600 °C) depozice germania. Tato metoda pomáhá kontrolovat dislokace způsobené mřížkovým nesouladem. Žíhání po růstu při 800–900 °C dále snižuje hustotu dislokací na přibližně 10^7 cm^-2. Výkonové charakteristiky: Nejpokročilejší Ge/Si PIN fotodetektor dokáže dosáhnout: citlivosti > 0,8 A/W při 1550 nm; šířky pásma > 60 GHz; temného proudu < 1 μA při předpětí -1 V.

Integrace s optoelektronickými platformami na bázi křemíku

Integracevysokorychlostní fotodetektorys optoelektronickými platformami na bázi křemíku umožňuje pokročilé optické transceivery a propojení. Dvě hlavní metody integrace jsou následující: integrace na front-endu (FEOL), kde se fotodetektor a tranzistor vyrábějí současně na křemíkovém substrátu, což umožňuje zpracování za vysokých teplot, ale zabírá plochu čipu. integrace na back-endu (BEOL). Fotodetektory se vyrábějí na kovovém povrchu, aby se zabránilo interferenci s CMOS, ale jsou omezeny na nižší teploty zpracování.

Obrázek 2: Citlivost a šířka pásma vysokorychlostního Ge/Si fotodetektoru

Aplikace pro datová centra

Vysokorychlostní fotodetektory jsou klíčovou součástí propojení datových center nové generace. Mezi hlavní aplikace patří: optické transceivery: rychlosti 100G, 400G a vyšší, využívající modulaci PAM-4;vysokopásmový fotodetektor(>50 GHz).

Optoelektronický integrovaný obvod na bázi křemíku: monolitická integrace detektoru s modulátorem a dalšími komponenty; Kompaktní, vysoce výkonný optický engine.

Distribuovaná architektura: optické propojení mezi distribuovanými výpočty, úložištěm a úložištěm; zvýšení poptávky po energeticky úsporných fotodetektorech s vysokou šířkou pásma.

Výhled do budoucna

Budoucnost integrovaných optoelektronických vysokorychlostních fotodetektorů bude ukazovat následující trendy:

Vyšší datové rychlosti: Podpora vývoje transceiverů 800G a 1,6T; Jsou vyžadovány fotodetektory s šířkou pásma větší než 100 GHz.

Vylepšená integrace: Integrace materiálu III-V a křemíku na jednom čipu; Pokročilá technologie 3D integrace.

Nové materiály: Průzkum dvourozměrných materiálů (jako je grafen) pro ultrarychlou detekci světla; Nová slitina skupiny IV pro rozšířené pokrytí vlnových délek.

Nově vznikající aplikace: LiDAR a další senzorické aplikace pohánějí vývoj APD; aplikace mikrovlnných fotonů vyžadující fotodetektory s vysokou linearitou.

Vysokorychlostní fotodetektory, zejména Ge nebo Si fotodetektory, se staly klíčovým hybatelem optoelektroniky na bázi křemíku a optické komunikace nové generace. Neustálý pokrok v materiálech, konstrukci zařízení a integračních technologiích je důležitý pro splnění rostoucích požadavků na šířku pásma budoucích datových center a telekomunikačních sítí. S dalším vývojem tohoto oboru můžeme očekávat fotodetektory s vyšší šířkou pásma, nižším šumem a bezproblémovou integrací s elektronickými a fotonickými obvody.