За оптоелектронику на бази силицијума, силицијумски фотодетектори (Si фотодетектор)

За оптоелектронику на бази силицијума, силицијумски фотодетектори

Пхотодетецторспретварају светлосне сигнале у електричне сигнале, а како се брзине преноса података константно побољшавају, брзи фотодетектори интегрисани са оптоелектронским платформама на бази силицијума постали су кључни за центре података и телекомуникационе мреже следеће генерације. Овај чланак ће пружити преглед напредних брзих фотодетектора, са акцентом на германијум на бази силицијума (Ge или Si фотодетектор)силицијумски фотодетекториза интегрисану оптоелектронску технологију.

Германијум је атрактиван материјал за детекцију блиске инфрацрвене светлости на силицијумским платформама јер је компатибилан са CMOS процесима и има изузетно јаку апсорпцију на телекомуникационим таласним дужинама. Најчешћа Ge/Si структура фотодетектора је пин диода, у којој се интринзични германијум налази између P-типа и N-типа региона.

Структура уређаја Слика 1 приказује типичан вертикални пин Ge илиSi фотодетекторструктура:

Главне карактеристике укључују: слој који апсорбује германијум узгајан на силицијумској подлози; користи се за сакупљање p и n контаката носилаца наелектрисања; спрезање таласовода за ефикасну апсорпцију светлости.

Епитаксијални раст: Узгој висококвалитетног германијума на силицијуму је изазован због неусклађености решетки од 4,2% између два материјала. Обично се користи двостепени процес раста: раст тампон слоја на ниској температури (300-400°C) и таложење германијума на високој температури (изнад 600°C). Ова метода помаже у контроли дислокација у облику нити изазваних неусклађеностима решетки. Жарење након раста на 800-900°C додатно смањује густину дислокација у облику нити на око 10^7 цм^-2. Карактеристике перформанси: Најнапреднији Ge/Si PIN фотодетектор може постићи: брзину одзива > 0,8A/W на 1550 nm; пропусни опсег > 60 GHz; тамну струју < 1 μA при преднапону од -1 V.

Интеграција са оптоелектронским платформама на бази силицијума

Интеграцијафотодетектори велике брзинеСа оптоелектронским платформама на бази силицијума омогућава напредне оптичке примопредајнике и међусобне везе. Две главне методе интеграције су следеће: Интеграција на предњем крају (FEOL), где се фотодетектор и транзистор истовремено производе на силицијумској подлози што омогућава обраду на високим температурама, али заузима простор на чипу. Интеграција на задњем крају (BEOL). Фотодетектори се производе на врху метала како би се избегло ометање са CMOS-ом, али су ограничени на ниже температуре обраде.

Слика 2: Одзив и пропусни опсег брзог Ge/Si фотодетектора

Апликација за дата центар

Фотодетектори велике брзине су кључна компонента у следећој генерацији међусобног повезивања дата центара. Главне примене укључују: оптичке примопредајнике: брзине од 100G, 400G и веће, користећи PAM-4 модулацију; Aфотодетектор високог пропусног опсега(>50 GHz) је потребно.

Оптоелектронско интегрисано коло на бази силицијума: монолитна интеграција детектора са модулатором и другим компонентама; Компактан, високоперформансни оптички мотор.

Дистрибуирана архитектура: оптичка међусобна веза између дистрибуираног рачунарства, складиштења и складиштења; Подстицање потражње за енергетски ефикасним фотодетекторима великог пропусног опсега.

Будући изгледи

Будућност интегрисаних оптоелектронских фотодетектора велике брзине показаће следеће трендове:

Веће брзине преноса података: Подстицање развоја примопредајника од 800G и 1.6T; Потребни су фотодетектори са пропусним опсегом већим од 100 GHz.

Побољшана интеграција: Интеграција III-V материјала и силицијума у ​​једном чипу; Напредна 3Д технологија интеграције.

Нови материјали: Истраживање дводимензионалних материјала (као што је графен) за ултрабрзу детекцију светлости; Нова легура групе IV за проширену покривеност таласних дужина.

Нове примене: LiDAR и друге сензорске примене покрећу развој APD-а; Примене микроталасних фотона које захтевају фотодетекторе високе линеарности.

Фотодетектори велике брзине, посебно Ge или Si фотодетектори, постали су кључни покретач оптоелектронике на бази силицијума и оптичких комуникација следеће генерације. Континуирани напредак у материјалима, дизајну уређаја и технологијама интеграције важан је за задовољавање растућих захтева за пропусним опсегом будућих дата центара и телекомуникационих мрежа. Како се област наставља развијати, можемо очекивати фотодетекторе са већим пропусним опсегом, мањим шумом и беспрекорном интеграцијом са електронским и фотонским колима.