Szilícium alapú optoelektronikához, szilícium fotodetektorokhoz
Fotódetektoroka fényjeleket elektromos jelekké alakítják, és az adatátviteli sebesség folyamatos javulásával a szilícium alapú optoelektronikai platformokkal integrált nagysebességű fotodetektorok kulcsfontosságúvá váltak a következő generációs adatközpontokban és telekommunikációs hálózatokban. Ez a cikk áttekintést nyújt a fejlett nagysebességű fotodetektorokról, különös tekintettel a szilícium alapú germániumra (Ge vagy Si fotodetektor).szilícium fotodetektorokintegrált optoelektronikai technológiához.
A germánium vonzó anyag a közeli infravörös fény szilícium platformokon történő detektálásához, mivel kompatibilis a CMOS eljárásokkal, és rendkívül erős abszorpcióval rendelkezik a telekommunikációs hullámhosszakon. A leggyakoribb Ge/Si fotodetektor-szerkezet a tűdióda, amelyben a belső germánium a P-típusú és az N-típusú régiók között helyezkedik el.
Az eszköz felépítése Az 1. ábra egy tipikus függőleges Ge vagy G tűt mutat.Si fotodetektorszerkezet:
Főbb jellemzők: szilícium hordozóra növesztett germánium abszorbeáló réteg; Töltéshordozók p és n érintkezőinek összegyűjtésére szolgál; Hullámvezető csatolás a hatékony fényelnyelés érdekében.
Epitaxiális növekedés: A kiváló minőségű germánium szilíciumon történő növesztése kihívást jelent a két anyag közötti 4,2%-os rácseltérés miatt. Általában kétlépéses növekedési folyamatot alkalmaznak: alacsony hőmérsékleten (300-400°C) pufferréteg-növesztést és magas hőmérsékleten (600°C felett) germánium leválasztást. Ez a módszer segít szabályozni a rácseltérések okozta meneti diszlokációkat. A 800-900°C-on történő utónövesztés tovább csökkenti a meneti diszlokációsűrűséget körülbelül 10^7 cm^-2-re. Teljesítményjellemzők: A legfejlettebb Ge/Si PIN fotodetektor a következőket képes elérni: érzékenység, > 0,8 A /W 1550 nm-en; sávszélesség, >60 GHz; sötétáram, <1 μA -1 V előfeszültségnél.
Integráció szilícium alapú optoelektronikai platformokkal
Az integrációnagy sebességű fotodetektorokA szilícium alapú optoelektronikai platformokkal való együttműködés fejlett optikai adó-vevőket és összeköttetéseket tesz lehetővé. A két fő integrációs módszer a következő: Előoldali integráció (FEOL), ahol a fotodetektort és a tranzisztort egyidejűleg gyártják szilícium hordozón, lehetővé téve a magas hőmérsékletű feldolgozást, de a chip területét elfoglalva. Hátoldali integráció (BEOL). A fotodetektorokat a fém tetején gyártják, hogy elkerüljék a CMOS-szal való interferenciát, de alacsonyabb feldolgozási hőmérsékletekre korlátozódnak.
2. ábra: Nagysebességű Ge/Si fotodetektor érzékenysége és sávszélessége
Adatközponti alkalmazás
A nagysebességű fotodetektorok kulcsfontosságú elemei az adatközpontok összekapcsolásának következő generációjának. Fő alkalmazások: optikai adó-vevők: 100G, 400G és nagyobb sebességek, PAM-4 moduláció használatával; Anagy sávszélességű fotodetektor(>50 GHz) szükséges.
Szilícium alapú optoelektronikai integrált áramkör: a detektor monolitikus integrációja a modulátorral és más komponensekkel; Kompakt, nagy teljesítményű optikai motor.
Elosztott architektúra: optikai összekapcsolás az elosztott számítástechnika, a tárolás és az adattárolás között; Az energiahatékony, nagy sávszélességű fotodetektorok iránti kereslet növekedése.
Jövőbeli kilátások
Az integrált optoelektronikus nagysebességű fotodetektorok jövője a következő trendeket fogja mutatni:
Magasabb adatátviteli sebességek: A 800G és 1.6T adó-vevők fejlesztésének ösztönzése; 100 GHz-nél nagyobb sávszélességű fotodetektorokra van szükség.
Továbbfejlesztett integráció: III-V anyag és szilícium egyetlen chipbe integrálása; Fejlett 3D integrációs technológia.
Új anyagok: Kétdimenziós anyagok (például grafén) vizsgálata ultragyors fényérzékelés céljából; Egy új, IV. csoportú ötvözet a kiterjesztett hullámhossz-lefedettség érdekében.
Feltörekvő alkalmazások: A LiDAR és más érzékelési alkalmazások az APD fejlesztését hajtják; a mikrohullámú fotonalkalmazások nagy linearitású fotodetektorokat igényelnek.
A nagy sebességű fotodetektorok, különösen a Ge vagy Si fotodetektorok, a szilícium alapú optoelektronika és a következő generációs optikai kommunikáció kulcsfontosságú hajtóerejévé váltak. Az anyagok, az eszköztervezés és az integrációs technológiák folyamatos fejlesztése fontos a jövő adatközpontjainak és telekommunikációs hálózatainak növekvő sávszélesség-igényeinek kielégítéséhez. Ahogy a terület folyamatosan fejlődik, várhatóan nagyobb sávszélességű, alacsonyabb zajszintű és az elektronikus és fotonikus áramkörökbe zökkenőmentesen integrálható fotodetektorokat fogunk látni.
Közzététel ideje: 2025. január 20.