Pentru optoelectronica pe bază de siliciu, fotodetectoare de siliciu (fotodetector Si)

Pentru optoelectronica pe bază de siliciu, fotodetectoare de siliciu

Fotodetectoareconvertesc semnalele luminoase în semnale electrice și, pe măsură ce ratele de transfer de date continuă să se îmbunătățească, fotodetectoarele de mare viteză integrate cu platforme optoelectronice pe bază de siliciu au devenit esențiale pentru centrele de date și rețelele de telecomunicații de generație următoare. Acest articol va oferi o prezentare generală a fotodetectoarelor avansate de mare viteză, cu accent pe germaniul pe bază de siliciu (fotodetectorul Ge sau Si)fotodetectoare de siliciupentru tehnologia optoelectronică integrată.

Germaniul este un material atractiv pentru detectarea luminii în infraroșu apropiat pe platforme de siliciu, deoarece este compatibil cu procesele CMOS și are o absorbție extrem de puternică la lungimi de undă pentru telecomunicații. Cea mai comună structură de fotodetector Ge/Si este dioda PIN, în care germaniul intrinsec este plasat între regiunile de tip P și de tip N.

Structura dispozitivului Figura 1 prezintă un pin vertical tipic Ge sauFotodetector de Sistructura:

Principalele caracteristici includ: strat absorbant de germaniu crescut pe substrat de siliciu; utilizat pentru colectarea contactelor p și n ale purtătorilor de sarcină; cuplare cu ghid de undă pentru absorbție eficientă a luminii.

Creștere epitaxială: Creșterea germaniului de înaltă calitate pe siliciu este o provocare din cauza nepotrivirii de rețea de 4,2% dintre cele două materiale. De obicei, se utilizează un proces de creștere în doi pași: creșterea stratului tampon la temperatură joasă (300-400°C) și depunerea de germaniu la temperatură înaltă (peste 600°C). Această metodă ajută la controlul dislocațiilor de filetare cauzate de nepotrivirile de rețea. Recoacerea post-creștere la 800-900°C reduce în continuare densitatea dislocațiilor de filetare la aproximativ 10^7 cm^-2. Caracteristici de performanță: Cel mai avansat fotodetector PIN Ge/Si poate obține: o capacitate de răspuns > 0,8A/W la 1550 nm; Lățime de bandă >60 GHz; Curent de întuneric <1 μA la o polarizare de -1 V.

Integrare cu platforme optoelectronice bazate pe siliciu

Integrareafotodetectoare de mare vitezăIntegrarea cu platforme optoelectronice pe bază de siliciu permite transceivere și interconexiuni optice avansate. Cele două metode principale de integrare sunt următoarele: Integrarea front-end (FEOL), unde fotodetectorul și tranzistorul sunt fabricate simultan pe un substrat de siliciu, permițând procesarea la temperaturi ridicate, dar ocupând suprafața cipului. Integrarea back-end (BEOL). Fotodetectoarele sunt fabricate deasupra metalului pentru a evita interferențele cu CMOS, dar sunt limitate la temperaturi de procesare mai scăzute.

Figura 2: Reactivitatea și lățimea de bandă a unui fotodetector Ge/Si de mare viteză

Aplicație pentru centre de date

Fotodetectoarele de mare viteză sunt o componentă cheie în următoarea generație de interconectare a centrelor de date. Principalele aplicații includ: transceivere optice: rate de 100G, 400G și mai mari, utilizând modulația PAM-4; Afotodetector cu lățime de bandă mare(>50 GHz) este necesară.

Circuit integrat optoelectronic pe bază de siliciu: integrare monolitică a detectorului cu modulatorul și alte componente; Un motor optic compact, de înaltă performanță.

Arhitectură distribuită: interconectare optică între calcul distribuit, stocare și stocare; Creșterea cererii de fotodetectoare cu lățime de bandă mare și eficiente din punct de vedere energetic.

Perspective de viitor

Viitorul fotodetectoarelor optoelectronice integrate de mare viteză va arăta următoarele tendințe:

Rate de transfer de date mai mari: Stimulează dezvoltarea transceiverelor de 800G și 1.6T; Sunt necesare fotodetectoare cu lățimi de bandă mai mari de 100 GHz.

Integrare îmbunătățită: Integrare pe un singur cip a materialului III-V și a siliciului; Tehnologie avansată de integrare 3D.

Materiale noi: Explorarea materialelor bidimensionale (cum ar fi grafenul) pentru detectarea ultrarapidă a luminii; Un nou aliaj din Grupa IV pentru o acoperire extinsă a lungimii de undă.

Aplicații emergente: LiDAR și alte aplicații de detectare stimulează dezvoltarea APD; Aplicații fotonice cu microunde care necesită fotodetectoare de liniaritate ridicată.

Fotodetectoarele de mare viteză, în special fotodetectoarele din Ge sau Si, au devenit un factor cheie al optoelectronicii pe bază de siliciu și al comunicațiilor optice de generație următoare. Progresele continue în domeniul materialelor, al proiectării dispozitivelor și al tehnologiilor de integrare sunt importante pentru a satisface cerințele tot mai mari de lățime de bandă ale viitoarelor centre de date și rețele de telecomunicații. Pe măsură ce domeniul continuă să evolueze, ne putem aștepta să vedem fotodetectoare cu lățime de bandă mai mare, zgomot mai mic și integrare perfectă cu circuitele electronice și fotonice.