Pre optoelektroniku na báze kremíka, kremíkové fotodetektory (Si fotodetektor)

Pre optoelektroniku na báze kremíka, kremíkové fotodetektory

Fotodetektorypremieňajú svetelné signály na elektrické signály a keďže sa rýchlosti prenosu dát neustále zlepšujú, vysokorýchlostné fotodetektory integrované s optoelektronickými platformami na báze kremíka sa stali kľúčom k dátovým centrám a telekomunikačným sieťam novej generácie. Tento článok poskytne prehľad pokročilých vysokorýchlostných fotodetektorov s dôrazom na germánium na báze kremíka (fotodetektor Ge alebo Si).kremíkové fotodetektorypre integrovanú optoelektronickú technológiu.

Germánium je atraktívny materiál na detekciu blízkeho infračerveného žiarenia na kremíkových platformách, pretože je kompatibilný s procesmi CMOS a má extrémne silnú absorpciu na telekomunikačných vlnových dĺžkach. Najbežnejšou štruktúrou fotodetektora Ge/Si je pinová dióda, v ktorej je vlastný germánium vložený medzi oblasti typu P a typu N.

Štruktúra zariadenia Obrázok 1 znázorňuje typický vertikálny pin Ge aleboSi fotodetektorštruktúra:

Medzi hlavné vlastnosti patrí: vrstva absorbujúca germánium narastená na kremíkovom substráte; použitie na zhromažďovanie p a n kontaktov nosičov náboja; vlnovodová väzba pre efektívnu absorpciu svetla.

Epitaxný rast: Pestovanie vysoko kvalitného germánia na kremíku je náročné kvôli 4,2 % mriežkovému nesúladu medzi týmito dvoma materiálmi. Zvyčajne sa používa dvojstupňový proces rastu: rast tlmiacej vrstvy pri nízkej teplote (300 – 400 °C) a depozícia germánia pri vysokej teplote (nad 600 °C). Táto metóda pomáha kontrolovať dislokácie vlákna spôsobené mriežkovým nesúladom. Žíhanie po raste pri teplote 800 – 900 °C ďalej znižuje hustotu dislokácií vlákna na približne 10^7 cm^-2. Výkonové charakteristiky: Najpokročilejší Ge/Si PIN fotodetektor dokáže dosiahnuť: citlivosť > 0,8 A/W pri 1550 nm; šírku pásma > 60 GHz; tmavý prúd < 1 μA pri predpätí -1 V.

Integrácia s optoelektronickými platformami na báze kremíka

Integráciavysokorýchlostné fotodetektoryVďaka optoelektronickým platformám na báze kremíka sa dosahujú pokročilé optické vysielače a prijímače a prepojenia. Dve hlavné metódy integrácie sú nasledovné: Integrácia na prednej strane (FEOL), kde sa fotodetektor a tranzistor súčasne vyrábajú na kremíkovom substráte, čo umožňuje spracovanie pri vysokých teplotách, ale zaberá plochu čipu. Integrácia na strane zadnej strany (BEOL). Fotodetektory sa vyrábajú na vrchu kovu, aby sa predišlo interferencii s CMOS, ale sú obmedzené na nižšie teploty spracovania.

Obrázok 2: Citlivosť a šírka pásma vysokorýchlostného Ge/Si fotodetektora

Aplikácia dátového centra

Vysokorýchlostné fotodetektory sú kľúčovou súčasťou prepojenia dátových centier novej generácie. Medzi hlavné aplikácie patria: optické vysielače a prijímače s rýchlosťami 100G, 400G a vyššími, s moduláciou PAM-4;vysokopásmový fotodetektor(>50 GHz).

Optoelektronický integrovaný obvod na báze kremíka: monolitická integrácia detektora s modulátorom a ďalšími komponentmi; Kompaktný, vysoko výkonný optický motor.

Distribuovaná architektúra: optické prepojenie medzi distribuovanými výpočtami, úložiskom a úložiskom; Zvyšovanie dopytu po energeticky úsporných fotodetektoroch s vysokou šírkou pásma.

Výhľad do budúcnosti

Budúcnosť integrovaných optoelektronických vysokorýchlostných fotodetektorov bude ukazovať nasledujúce trendy:

Vyššie prenosové rýchlosti: Podpora vývoja transceiverov 800G a 1,6T; Sú potrebné fotodetektory so šírkou pásma väčšou ako 100 GHz.

Vylepšená integrácia: Integrácia materiálu III-V a kremíka na jednom čipe; Pokročilá technológia 3D integrácie.

Nové materiály: Prieskum dvojrozmerných materiálov (ako je grafén) pre ultrarýchlu detekciu svetla; Nová zliatina skupiny IV pre rozšírené pokrytie vlnových dĺžok.

Vznikajúce aplikácie: LiDAR a ďalšie senzorické aplikácie poháňajú vývoj APD; aplikácie mikrovlnných fotónov vyžadujúce fotodetektory s vysokou linearitou.

Vysokorýchlostné fotodetektory, najmä Ge alebo Si fotodetektory, sa stali kľúčovým faktorom v oblasti optoelektroniky na báze kremíka a optickej komunikácie novej generácie. Neustály pokrok v materiáloch, dizajne zariadení a integračných technológiách je dôležitý pre splnenie rastúcich požiadaviek na šírku pásma budúcich dátových centier a telekomunikačných sietí. S pokračujúcim vývojom tejto oblasti môžeme očakávať fotodetektory s vyššou šírkou pásma, nižším šumom a bezproblémovou integráciou s elektronickými a fotonickými obvodmi.