Pre optoelektroniku na báze kremíka, kremíkové fotodetektory
FotodetektoryKonvertovať svetelné signály na elektrické signály a keďže miera prenosu údajov sa naďalej zlepšuje, vysokorýchlostné fotodetektory integrované s optoelektronickými platformami založenými na kremíku sa stali kľúčovými k dátovým centrám novej generácie a telekomunikačným sieťam. Tento článok poskytne prehľad pokročilých vysokorýchlostných fotodetektorov s dôrazom na germánium na báze kremíka (GE alebo SI fotodetektor)kremíkové fotodetektoryPre integrovanú technológiu optoelektroniky.
Germánium je atraktívnym materiálom pre takmer detekciu infračerveného svetla na kremíkových platformách, pretože je kompatibilný s procesmi CMOS a má extrémne silnú absorpciu pri telekomunikačných vlnových dĺžkach. Najbežnejšou štruktúrou fotodetektora GE/SI je dióda PIN, v ktorej je vnútorné germánium vložené medzi oblasti typu p a N-typu.
Štruktúra zariadenia Obrázok 1 zobrazuje typický zvislý kolík GE aleboFotodetektorštruktúra:
Medzi hlavné vlastnosti patrí: vrstva absorbujúca germánium pestovanú na kremíkovom substráte; Používa sa na zhromažďovanie kontaktov s nabíjacími nosičmi P a N; Vlnové spojenie pre účinnú absorpciu svetla.
Epitaxiálny rast: Rastie vysoko kvalitné germánia na kremíku je náročné v dôsledku nesúladu 4,2% mriežky medzi týmito dvoma materiálmi. Zvyčajne sa používa proces rastu s dvoma krokmi: nízka teplota (300-400 ° C) rast vrstvy pufra a vysoká teplota (nad 600 ° C) depozícia germánia. Táto metóda pomáha riadiť dislokácie závitu spôsobené nezhodami mriežky. Žíhanie po raste pri 800-900 ° C ďalej znižuje hustotu dislokácie závitu na približne 10^7 cm^-2. Výkonnostné charakteristiky: Najpokročilejší fotodetektor PIN GE /SI môže dosiahnuť: citlivosť,> 0,8A /W pri 1550 nm; Šírka pásma,> 60 GHz; Tmavý prúd, <1 μA pri -1 V zaujatosť.
Integrácia s optoelektronickými platformami založenými na kremíku
Integráciavysokorýchlostné fotodetektoryS optoelektronickými platformami založenými na kremíku umožňuje pokročilé optické transceivery a prepojenia. Dve hlavné metódy integrácie sú nasledujúce: Integrácia front-end (FEOL), kde sa fotodetektor a tranzistor súčasne vyrábajú na kremíkovom substráte, ktorý umožňuje vysokoteplotné spracovanie, ale využíva oblasť čipu. Integrácia back-end (Beol). Fotodetektory sa vyrábajú na vrchu kovu, aby sa predišlo rušeniu s CMOS, ale sú obmedzené na nižšie teploty spracovania.
Obrázok 2: Responzívnosť a šírka pásma vysokorýchlostného fotodetektora GE/SI
Aplikácia dátového centra
Vysokorýchlostné fotodetektory sú kľúčovým komponentom v ďalšej generácii prepojenia dátového centra. Hlavné aplikácie zahŕňajú: optické vysielače: 100g, 400 g a vyššie sadzby pomocou modulácie PAM-4; Afotodetektor s vysokou šírkou pásma(> 50 GHz) sa vyžaduje.
Optoelektronický integrovaný obvod založený na kremíku: monolitická integrácia detektora s modulátorom a inými komponentmi; Kompaktný, vysokovýkonný optický motor.
Distribuovaná architektúra: optické prepojenie medzi distribuovanými výpočtami, úložiskom a úložiskom; Vedenie dopytu po energeticky efektívnych fotodetektoroch s vysokou šírkou šírky.
Budúci výhľad
Budúcnosť integrovaných optoelektronických vysokorýchlostných fotodetektorov ukáže tieto trendy:
Vyššie rýchlosti prenosu prenosu: vedenie vývoja 800 g a 1,6 T; Vyžadujú sa fotodetektory s šírkou pásma väčšie ako 100 GHz.
Vylepšená integrácia: integrácia jedného čipu materiálu III-V a kremíka; Pokročilá technológia integrácie 3D.
Nové materiály: skúmanie dvojrozmerných materiálov (ako je grafén) na detekciu ultra rýchleho svetla; Nová zliatina skupiny IV pre predĺžené pokrytie vlnovej dĺžky.
Rozvíjajúce sa aplikácie: LIDAR a ďalšie aplikácie snímania vedú k vývoju APD; Mikrovlnné fotónové aplikácie vyžadujúce fotodetektory vysokej linearity.
Vysokorýchlostné fotodetektory, najmä fotodetektory GE alebo SI, sa stali kľúčovou hnacou silou optoelektroniky založenej na kremíku a optickej komunikácie novej generácie. Pokračovanie v oblasti materiálov, návrhov zariadení a integrácie sú dôležité na splnenie rastúcich požiadaviek na šírku pásma budúcich dátových centier a telekomunikačných sietí. Keď sa pole neustále vyvíja, môžeme očakávať, že uvidíme fotodetektory s vyššou šírkou pásma, nižším hlukom a plynulou integráciou s elektronickými a fotonickými obvodmi.
Čas príspevku: Jan-20-2025