За оптоелектроника базирана на силициум, силициумски фотодетектори (Si фотодетектор)

За оптоелектроника базирана на силициум, силициумски фотодетектори

Фотодетекториконвертираат светлосни сигнали во електрични сигнали, и како што стапките на пренос на податоци продолжуваат да се подобруваат, фотодетекторите со голема брзина интегрирани со оптоелектронски платформи базирани на силициум станаа клучни за центрите за податоци и телекомуникациските мрежи од следната генерација. Оваа статија ќе даде преглед на напредните фотодетектори со голема брзина, со акцент на германиум базирани на силициум (фотодетектор Ge или Si)силиконски фотодетекториза интегрирана оптоелектронска технологија.

Германиумот е привлечен материјал за детекција на светлина во близина на инфрацрвениот спектар на силиконски платформи бидејќи е компатибилен со CMOS процесите и има исклучително силна апсорпција на телекомуникациски бранови должини. Најчестата Ge/Si фотодетекторска структура е пин диодата, во која интринзичниот германиум е сместен помеѓу P-тип и N-тип региони.

Структура на уредот Слика 1 прикажува типичен вертикален пин Ge илиSi фотодетекторструктура:

Главните карактеристики вклучуваат: слој што апсорбира германиум одгледуван на силиконска подлога; се користи за собирање p и n контакти на носители на полнеж; брановодно спојување за ефикасна апсорпција на светлина.

Епитаксијален раст: Одгледувањето на висококвалитетен германиум на силициум е предизвик поради 4,2% несовпаѓање на решетката помеѓу двата материјали. Обично се користи двостепен процес на раст: раст на тампон слој на ниска температура (300-400°C) и таложење на германиум на висока температура (над 600°C). Овој метод помага да се контролираат дислокациите на навојот предизвикани од несовпаѓања на решетката. Жарењето по растот на 800-900°C дополнително ја намалува густината на дислокациите на навојот на околу 10^7 cm^-2. Карактеристики на изведба: Најнапредниот Ge/Si PIN фотодетектор може да постигне: одзив, > 0,8A/W на 1550 nm; пропусен опсег, >60 GHz; темна струја, <1 μA при пристрасност од -1 V.

Интеграција со оптоелектронски платформи базирани на силикон

Интеграцијата нафотодетектори со голема брзинаСо оптоелектронски платформи базирани на силициум овозможува напредни оптички примопредаватели и меѓусебни врски. Двата главни методи на интеграција се следниве: Front-end интеграција (FEOL), каде што фотодетекторот и транзисторот се произведуваат истовремено на силиконска подлога што овозможува обработка на висока температура, но зафаќа површина на чипот. Back-end интеграција (BEOL). Фотодетекторите се произведуваат врз металот за да се избегне пречки со CMOS, но се ограничени на пониски температури на обработка.

Слика 2: Респонзивност и пропусен опсег на брз Ge/Si фотодетектор

Апликација за центар за податоци

Брзите фотодетектори се клучна компонента во следната генерација на меѓусебно поврзување на центри за податоци. Главните примени вклучуваат: оптички примопредаватели: 100G, 400G и повисоки брзини, користејќи PAM-4 модулација; Aфотодетектор со висок пропусен опсегПотребна е фреквенција (>50 GHz).

Оптоелектронско интегрирано коло базирано на силициум: монолитна интеграција на детектор со модулатор и други компоненти; Компактен, високо-перформансен оптички мотор.

Дистрибуирана архитектура: оптичка меѓусебна поврзаност помеѓу дистрибуирано пресметување, складирање и складирање; Водење на побарувачката за енергетски ефикасни фотодетектори со висок пропусен опсег.

Идни перспективи

Иднината на интегрираните оптоелектронски фотодетектори со голема брзина ќе ги покаже следните трендови:

Повисоки брзини на пренос на податоци: Поттикнување на развојот на 800G и 1.6T примопредаватели; Потребни се фотодетектори со пропусен опсег поголем од 100 GHz.

Подобрена интеграција: Интеграција на еден чип од III-V материјал и силициум; Напредна технологија за 3D интеграција.

Нови материјали: Истражување на дводимензионални материјали (како што е графенот) за ултрабрзо откривање на светлина; Нова легура од група IV за проширена покриеност на бранови должини.

Нови апликации: LiDAR и други апликации за мерење го поттикнуваат развојот на APD; апликации за микробранови фотони кои бараат фотодетектори со висока линеарност.

Брзите фотодетектори, особено Ge или Si фотодетекторите, станаа клучен двигател на оптоелектрониката базирана на силициум и оптичките комуникации од следната генерација. Континуираниот напредок во материјалите, дизајнот на уредите и технологиите за интеграција се важни за да се задоволат растечките барања за пропусен опсег на идните центри за податоци и телекомуникациски мрежи. Како што полето продолжува да се развива, можеме да очекуваме да видиме фотодетектори со поголем пропусен опсег, помал шум и беспрекорна интеграција со електронски и фотонски кола.