W przypadku optoelektroniki opartej na krzemie stosuje się fotodetektory krzemowe
Fotodetektorykonwertować sygnały świetlne na sygnały elektryczne, a ponieważ szybkość przesyłania danych stale się poprawia, szybkie fotodetektory zintegrowane z platformami optoelektronicznymi na bazie krzemu stały się kluczowe dla centrów danych i sieci telekomunikacyjnych nowej generacji. W tym artykule przedstawiono przegląd zaawansowanych szybkich fotodetektorów, ze szczególnym uwzględnieniem germanu na bazie krzemu (fotodetektor Ge lub Si)fotodetektory krzemowedla zintegrowanej technologii optoelektronicznej.
German jest atrakcyjnym materiałem do wykrywania światła bliskiej podczerwieni na platformach krzemowych, ponieważ jest kompatybilny z procesami CMOS i ma niezwykle silną absorpcję na długościach fal telekomunikacyjnych. Najbardziej powszechną strukturą fotodetektora Ge/Si jest dioda pin, w której wewnętrzny german jest umieszczony pomiędzy regionami typu P i typu N.
Struktura urządzenia Rysunek 1 przedstawia typowy pionowy pin Ge lubFotodetektor krzemustruktura:
Główne cechy obejmują: warstwę absorbującą germanu naniesioną na podłoże krzemowe; Wykorzystywana do zbierania styków p i n nośników ładunku; Sprzężenie falowodowe zapewniające skuteczną absorpcję światła.
Wzrost epitaksjalny: Hodowla wysokiej jakości germanu na krzemie jest trudna ze względu na 4,2% niedopasowanie sieci 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 nici spowodowane niedopasowaniem sieci. Wyżarzanie po wzroście w temperaturze 800-900°C dodatkowo zmniejsza gęstość dyslokacji nici do około 10^7 cm^-2. Charakterystyka wydajności: Najbardziej zaawansowany fotodetektor PIN Ge/Si może osiągnąć: czułość > 0,8 A / W przy 1550 nm; Szerokość pasma > 60 GHz; Prąd ciemny < 1 μA przy polaryzacji -1 V.
Integracja z platformami optoelektronicznymi opartymi na krzemie
Integracjafotodetektory o dużej prędkościz platformami optoelektronicznymi na bazie krzemu umożliwia zaawansowane transceivery optyczne i połączenia międzyukładowe. Dwie główne metody integracji są następujące: Integracja front-end (FEOL), gdzie fotodetektor i tranzystor są jednocześnie produkowane na podłożu krzemowym, co umożliwia przetwarzanie w wysokiej temperaturze, ale zajmuje obszar układu scalonego. Integracja back-end (BEOL). Fotodetektory są produkowane na wierzchu metalu, aby uniknąć zakłóceń z CMOS, ale są ograniczone do niższych temperatur przetwarzania.
Rysunek 2: Reakcja i szerokość pasma szybkiego fotodetektora Ge/Si
Aplikacja centrum danych
Szybkie fotodetektory są kluczowym elementem w następnej generacji połączeń centrów danych. Główne zastosowania obejmują: transceivery optyczne: 100G, 400G i wyższe szybkości, 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 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 wykorzystujące fotony mikrofalowe wymagające fotodetektorów o wysokiej liniowości.
Szybkie fotodetektory, zwłaszcza fotodetektory Ge lub Si, stały się kluczowym czynnikiem napędowym optoelektroniki opartej na krzemie i komunikacji optycznej nowej generacji. Ciągły postęp w materiałach, projektowaniu urządzeń i technologiach integracyjnych jest ważny, aby sprostać rosnącym wymaganiom przepustowości przyszłych centrów danych i sieci telekomunikacyjnych. W miarę rozwoju tej dziedziny możemy spodziewać się fotodetektorów o większej przepustowości, niższym poziomie szumów i bezproblemowej integracji z obwodami elektronicznymi i fotonicznymi.
Czas publikacji: 20-01-2025