Do optoelektroniki na bazie krzemu, fotodetektory krzemowe (fotodetektor krzemowy)

Do optoelektroniki na bazie krzemu stosuje się fotodetektory krzemowe

FotodetektoryKonwertują sygnały świetlne na sygnały elektryczne, a wraz z ciągłym wzrostem szybkości transmisji danych, szybkie fotodetektory zintegrowane z krzemowymi platformami optoelektronicznymi stały się kluczowe dla centrów danych i sieci telekomunikacyjnych nowej generacji. Niniejszy artykuł przedstawia przegląd zaawansowanych szybkich fotodetektorów, ze szczególnym uwzględnieniem krzemowych fotodetektorów germanowych (Ge lub Si).fotodetektory krzemowedla zintegrowanej technologii optoelektronicznej.

German jest atrakcyjnym materiałem do detekcji światła bliskiej podczerwieni na platformach krzemowych, ponieważ jest kompatybilny z procesami CMOS i charakteryzuje się wyjątkowo silną absorpcją w zakresie długości fal telekomunikacyjnych. Najpopularniejszą strukturą fotodetektora Ge/Si jest dioda pin, w której wewnętrzny german jest umieszczony pomiędzy obszarami typu P i typu N.

Struktura urządzenia Rysunek 1 przedstawia typowy pionowy pin Ge lubFotodetektor krzemowystruktura:

Główne cechy obejmują: warstwę absorbującą germanu naniesioną na podłoże krzemowe; Wykorzystywana do zbierania styków p i n nośników ładunku; Sprzężenie falowodowe zapewniające wydajną absorpcję światła.

Wzrost epitaksjalny: Hodowla wysokiej jakości germanu na krzemie jest trudna ze względu na 4,2% niedopasowanie sieci krystalicznej między tymi dwoma materiałami. Zazwyczaj stosuje się dwuetapowy proces wzrostu: wzrost warstwy buforowej w niskiej temperaturze (300–400°C) i osadzanie germanu w wysokiej temperaturze (powyżej 600°C). Ta metoda pomaga kontrolować dyslokacje nitkowe spowodowane niedopasowaniem sieci krystalicznej. Wyżarzanie po wzroście w temperaturze 800–900°C dodatkowo zmniejsza gęstość dyslokacji nitkowych do około 10^7 cm^-2. Charakterystyka wydajności: Najbardziej zaawansowany fotodetektor PIN Ge/Si może osiągnąć: czułość > 0,8 A/W przy 1550 nm; pasmo > 60 GHz; prąd ciemny < 1 μA przy napięciu polaryzacji -1 V.

Integracja z platformami optoelektronicznymi opartymi na krzemie

Integracjafotodetektory o dużej prędkościPlatformy optoelektroniczne oparte na krzemie umożliwiają tworzenie zaawansowanych transceiverów i połączeń optycznych. Dwie główne metody integracji to: integracja front-end (FEOL), gdzie fotodetektor i tranzystor są jednocześnie wytwarzane na podłożu krzemowym, co umożliwia przetwarzanie w wysokich temperaturach, ale zajmuje powierzchnię układu scalonego. Integracja back-end (BEOL). Fotodetektory są wytwarzane na powierzchni metalu, aby uniknąć interferencji z układem CMOS, ale ich zastosowanie jest ograniczone do niższych temperatur przetwarzania.

Rysunek 2: Reakcja i szerokość pasma szybkiego fotodetektora Ge/Si

Aplikacja centrum danych

Szybkie fotodetektory stanowią kluczowy element nowej generacji połączeń w centrach danych. Główne zastosowania obejmują: transceivery optyczne o przepustowości 100G, 400G i wyższej, wykorzystujące modulację PAM-4;fotodetektor o dużej przepustowościWymagane jest (>50 GHz).

Zintegrowany układ optoelektroniczny na bazie krzemu: monolityczna integracja detektora z modulatorem i innymi komponentami; kompaktowy, wydajny układ optyczny.

Architektura rozproszona: optyczne połączenie między rozproszonym przetwarzaniem, magazynowaniem i przechowywaniem; napędzanie popytu na energooszczędne fotodetektory o dużej przepustowości.

Perspektywy na przyszłość

Przyszłość zintegrowanych optoelektronicznych fotodetektorów o dużej prędkości będzie charakteryzować się następującymi trendami:

Wyższe szybkości transmisji danych: Napędzają rozwój transceiverów 800G i 1.6T; Wymagane są fotodetektory o szerokości pasma większej niż 100 GHz.

Ulepszona integracja: integracja pojedynczego układu scalonego zawierającego materiał III-V i krzem; zaawansowana technologia integracji 3D.

Nowe materiały: badanie materiałów dwuwymiarowych (takich jak grafen) pod kątem ultraszybkiej detekcji światła; nowy stop grupy IV zapewniający rozszerzony zakres długości fal.

Nowe zastosowania: LiDAR i inne aplikacje czujników napędzają rozwój APD; zastosowania fotonów mikrofalowych wymagające fotodetektorów o wysokiej liniowości.

Szybkie fotodetektory, zwłaszcza fotodetektory Ge lub Si, stały się kluczowym czynnikiem napędzającym rozwój optoelektroniki opartej na krzemie i komunikacji optycznej nowej generacji. Ciągły postęp w dziedzinie materiałów, projektowania urządzeń i technologii integracji jest kluczowy dla spełnienia rosnących wymagań przepustowości przyszłych centrów danych i sieci telekomunikacyjnych. Wraz z rozwojem tej dziedziny możemy spodziewać się fotodetektorów o większej przepustowości, niższym poziomie szumów i bezproblemowej integracji z układami elektronicznymi i fotonicznymi.