Za optoelektroniko na osnovi silicija, silicijeve fotodetektorje (Si fotodetektor)

Za optoelektroniko na osnovi silicija, silicijeve fotodetektorje

Fotodetektorjipretvarjajo svetlobne signale v električne signale, in ker se hitrosti prenosa podatkov še naprej izboljšujejo, so visokohitrostni fotodetektorji, integrirani s silicijevimi optoelektronskimi platformami, postali ključni za podatkovne centre in telekomunikacijska omrežja naslednje generacije. Ta članek bo predstavil pregled naprednih visokohitrostnih fotodetektorjev s poudarkom na germaniju na osnovi silicija (fotodetektor Ge ali Si).silicijevi fotodetektorjiza integrirano optoelektronsko tehnologijo.

Germanij je privlačen material za zaznavanje bližnje infrardeče svetlobe na silicijevih platformah, ker je združljiv s CMOS postopki in ima izjemno močno absorpcijo pri telekomunikacijskih valovnih dolžinah. Najpogostejša struktura Ge/Si fotodetektorja je pin dioda, v kateri je intrinzični germanij stisnjen med območji P-tipa in N-tipa.

Struktura naprave Slika 1 prikazuje tipičen navpični pin Ge aliSi fotodetektorstruktura:

Glavne značilnosti vključujejo: germanijevo absorpcijsko plast, vzgojeno na silicijevem substratu; uporablja se za zbiranje p- in n-stikov nosilcev naboja; valovodno sklopitev za učinkovito absorpcijo svetlobe.

Epitaksialna rast: Gojenje visokokakovostnega germanija na siliciju je zahtevno zaradi 4,2-odstotne mrežne neusklajenosti med materialoma. Običajno se uporablja dvostopenjski postopek rasti: rast vmesne plasti pri nizki temperaturi (300–400 °C) in nanašanje germanija pri visoki temperaturi (nad 600 °C). Ta metoda pomaga nadzorovati dislokacije, ki nastanejo zaradi mrežnih neusklajenosti. Žarjenje po rasti pri 800–900 °C dodatno zmanjša gostoto dislokacij, ki nastanejo pri nitkah, na približno 10^7 cm^-2. Značilnosti delovanja: Najnaprednejši Ge/Si PIN fotodetektor lahko doseže: odzivnost > 0,8 A/W pri 1550 nm; pasovno širino > 60 GHz; temni tok < 1 μA pri -1 V prednapetosti.

Integracija s silicijevimi optoelektronskimi platformami

Integracijavisokohitrostni fotodetektorjiz optoelektronskimi platformami na osnovi silicija omogoča napredne optične oddajnike-sprejemnike in medsebojne povezave. Glavni metodi integracije sta naslednji: integracija na sprednjem koncu (FEOL), kjer sta fotodetektor in tranzistor hkrati izdelana na silicijevem substratu, kar omogoča visokotemperaturno obdelavo, vendar zavzame površino čipa. integracija na zadnjem koncu (BEOL). Fotodetektorji so izdelani na vrhu kovine, da se preprečijo motnje v CMOS, vendar so omejeni na nižje temperature obdelave.

Slika 2: Odzivnost in pasovna širina visokohitrostnega Ge/Si fotodetektorja

Aplikacija za podatkovni center

Visokohitrostni fotodetektorji so ključna komponenta naslednje generacije medsebojnih povezav podatkovnih centrov. Glavne aplikacije vključujejo: optične oddajnike-sprejemnike: hitrosti 100G, 400G in višje, ki uporabljajo modulacijo PAM-4;visokopasovni fotodetektor(>50 GHz).

Optoelektronsko integrirano vezje na osnovi silicija: monolitna integracija detektorja z modulatorjem in drugimi komponentami; Kompakten, visokozmogljiv optični motor.

Porazdeljena arhitektura: optična povezava med porazdeljenim računalništvom, shranjevanjem in shranjevanjem; spodbujanje povpraševanja po energetsko učinkovitih fotodetektorjih z visoko pasovno širino.

Prihodnost

Prihodnost integriranih optoelektronskih visokohitrostnih fotodetektorjev bo pokazala naslednje trende:

Višje hitrosti prenosa podatkov: spodbujanje razvoja oddajnikov-sprejemnikov 800G in 1,6T; potrebni so fotodetektorji s pasovno širino večjo od 100 GHz.

Izboljšana integracija: Integracija III-V materiala in silicija v en sam čip; Napredna tehnologija 3D integracije.

Novi materiali: Raziskovanje dvodimenzionalnih materialov (kot je grafen) za ultra hitro zaznavanje svetlobe; Nova zlitina skupine IV za razširjeno pokritost valovnih dolžin.

Nove aplikacije: LiDAR in druge senzorske aplikacije spodbujajo razvoj APD; aplikacije mikrovalovnih fotonov, ki zahtevajo fotodetektorje z visoko linearnostjo.

Visokohitrostni fotodetektorji, zlasti Ge ali Si fotodetektorji, so postali ključni dejavnik silicijeve optoelektronike in optičnih komunikacij naslednje generacije. Nenehen napredek v materialih, zasnovi naprav in integracijskih tehnologijah je pomemben za zadovoljevanje naraščajočih zahtev po pasovni širini prihodnjih podatkovnih centrov in telekomunikacijskih omrežij. Z nadaljnjim razvojem področja lahko pričakujemo fotodetektorje z večjo pasovno širino, nižjim šumom in brezhibno integracijo z elektronskimi in fotonskimi vezji.