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

Za optoelektroniku na bazi silicija, silicijski fotodetektori

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

Germanij je atraktivan materijal za detekciju bliske infracrvene svjetlosti na silicijskim platformama jer je kompatibilan s CMOS procesima i ima izuzetno jaku apsorpciju na telekomunikacijskim valnim duljinama. Najčešća struktura Ge/Si fotodetektora je pin dioda, u kojoj je intrinzični germanij smješten između područja P-tipa i N-tipa.

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

Glavne značajke uključuju: sloj koji apsorbira germanij uzgojen na silicijskoj podlozi; koristi se za sakupljanje p i n kontakata nositelja naboja; spajanje valovoda za učinkovitu apsorpciju svjetlosti.

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

Integracija s optoelektroničkim platformama na bazi silicija

Integracijafotodetektori velike brzines optoelektroničkim platformama na bazi silicija omogućuje 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 silicijskoj podlozi što omogućuje obradu na visokim temperaturama, ali zauzima površinu čipa. Integracija na stražnjem kraju (BEOL). Fotodetektori se proizvode na vrhu metala kako bi se izbjegla interferencija s CMOS-om, ali su ograničeni na niže temperature obrade.

Slika 2: Osjetljivost i propusnost brzog Ge/Si fotodetektora

Aplikacija za podatkovni centar

Brzi fotodetektori ključna su 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.

Optoelektronički integrirani krug na bazi silicija: monolitna integracija detektora s modulatorom i drugim komponentama; Kompaktan, visokoučinkovit optički motor.

Distribuirana arhitektura: optička međusobna povezanost distribuiranog računalstva, pohrane i same pohrane; Poticanje potražnje za energetski učinkovitim fotodetektorima velike propusnosti.

Budući izgledi

Budućnost integriranih optoelektroničkih fotodetektora velike brzine pokazat će sljedeće trendove:

Veće brzine prijenosa podataka: Poticanje razvoja primopredajnika od 800G i 1.6T; Potrebni su fotodetektori s propusnošću većom od 100 GHz.

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

Novi materijali: Istraživanje dvodimenzionalnih materijala (poput grafena) za ultrabrzo otkrivanje svjetlosti; Nova legura IV. skupine za prošireno pokrivanje valnih duljina.

Nove primjene: LiDAR i druge senzorske primjene 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 propusnošću budućih podatkovnih centara i telekomunikacijskih mreža. Kako se područje nastavlja razvijati, možemo očekivati ​​fotodetektore s većom propusnošću, nižom razinom šuma i besprijekornom integracijom s elektroničkim i fotonskim sklopovima.