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

Pentru optoelectronica pe bază de siliciu, fotodetectoare de siliciu

FotodetectoareConvertiți semnalele de lumină în semnale electrice și pe măsură ce ratele de transfer de date continuă să îmbunătățească, fotodetectoarele de mare viteză integrate cu platformele de optoelectronică bazate pe siliciu au devenit cheie pentru centrele de date de generație viitoare și rețelele de telecomunicații. Acest articol va oferi o imagine de ansamblu asupra fotodetectoarelor avansate de mare viteză, cu accent pe germaniul pe bază de siliciu (GE sau SI Photodetector)Fotodetectoare de siliciuPentru tehnologia integrată a optoelectronicii.

Germanium este un material atractiv pentru detectarea aproape infraroșu pe platformele de siliciu, deoarece este compatibil cu procesele CMOS și are o absorbție extrem de puternică la lungimile de undă de telecomunicații. Cea mai frecventă structură fotodetector GE/Si este dioda pinului, în care germaniul intrinsec este întrerupt între regiunile de tip p și N.

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

Principalele caracteristici includ: strat de absorbție germanium cultivat pe substratul de siliciu; Utilizat pentru colectarea contactelor P și N de încărcare; Cuplarea ghidului de undă pentru o absorbție eficientă a luminii.

Creșterea epitaxială: Germaniu de înaltă calitate pe siliciu este dificilă datorită nepotrivirii de 4,2% dintre cele două materiale. Un proces de creștere în două etape este de obicei utilizat: temperatură scăzută (300-400 ° C) creșterea stratului tampon și depunerea de temperatură ridicată (peste 600 ° C) de germaniu. Această metodă ajută la controlul dislocării filetării cauzate de nepotriviri. Recuperarea post-creștere la 800-900 ° C reduce în continuare densitatea de dislocare a filetului la aproximativ 10^7 cm^-2. Caracteristici de performanță: Cel mai avansat fotodetector GE /SI PIN poate realiza: receptivitate,> 0,8a /w la 1550 nm; Lățime de bandă,> 60 GHz; Curent întunecat, <1 μA la -1 V părtinire.

Integrare cu platforme optoelectronice bazate pe siliciu

IntegrareaFotodetectoare de mare vitezăCu platformele optoelectronice bazate pe siliciu permit transceiver-uri optice avansate și interconectări. 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 preluarea zonei de cip. Integrare back-end (Beol). Fotodetectoarele sunt fabricate deasupra metalului pentru a evita interferența cu OCM, dar sunt limitate la temperaturi de procesare mai mici.

Figura 2: Răspunderea și lățimea de bandă a unui fotodetector GE/SI de mare viteză

Aplicația centrului de date

Fotodetectoarele de mare viteză sunt o componentă cheie în următoarea generație de interconectare a centrelor de date. Principalele aplicații includ: transceiver-uri optice: 100G, 400G și rate mai mari, folosind modularea PAM-4; OFotodetector cu lățime de bandă mare(> 50 GHz) este necesar.

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

Arhitectură distribuită: interconectare optică între calculul, stocarea și stocarea distribuită; Conducerea cererii de fotodetectoare eficiente din punct de vedere energetic, cu lățime mare de bandă.

Perspective viitoare

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

Rate de date mai mari: determinarea dezvoltării de 800g și 1,6T transceiver; Sunt necesare fotodetectoare cu lățimi de bandă mai mari de 100 GHz.

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

Materiale noi: explorarea materialelor bidimensionale (cum ar fi grafenul) pentru detectarea luminii ultrarapaste; Un nou aliaj de grup IV pentru acoperirea lungimii de undă extinse.

Aplicații emergente: Lidar și alte aplicații de detectare determină dezvoltarea APD; Aplicații cu foton cu microunde care necesită fotodetectoare de înaltă liniaritate.

Fotodetectoarele de mare viteză, în special fotodetectoarele GE sau SI, au devenit un motor cheie al optoelectronicii bazate pe siliciu și al comunicațiilor optice de generație următoare. Progresele continue în materiale, proiectarea dispozitivelor și tehnologiile de integrare sunt importante pentru a răspunde cerințelor din ce în ce mai mari de lățime de bandă ale viitoarelor centre de date și rețele de telecomunicații. Pe măsură ce câmpul continuă să evolueze, ne putem aștepta să vedem fotodetectoare cu lățime de bandă mai mare, zgomot mai mic și integrare perfectă cu circuite electronice și fotonice.