Untuk optoelektronik berasaskan silikon, fotodetektor silikon (fotodetektor Si)

Untuk optoelektronik berasaskan silikon, fotodetektor silikon

Pengesan fotomenukar isyarat cahaya kepada isyarat elektrik, dan apabila kadar pemindahan data terus bertambah baik, fotodetektor berkelajuan tinggi yang disepadukan dengan platform optoelektronik berasaskan silikon telah menjadi kunci kepada pusat data dan rangkaian telekomunikasi generasi akan datang. Artikel ini akan memberikan gambaran keseluruhan fotodetektor berkelajuan tinggi termaju, dengan penekanan pada germanium berasaskan silikon (fotodetektor Ge atau Si).pengesan foto silikonuntuk teknologi optoelektronik bersepadu.

Germanium merupakan bahan yang menarik untuk pengesanan cahaya inframerah dekat pada platform silikon kerana ia serasi dengan proses CMOS dan mempunyai penyerapan yang sangat kuat pada panjang gelombang telekomunikasi. Struktur fotodetektor Ge/Si yang paling biasa ialah diod pin, di mana germanium intrinsik diapit di antara kawasan jenis-P dan jenis-N.

Struktur peranti Rajah 1 menunjukkan pin menegak biasa Ge atauPengesan foto Sistruktur:

Ciri-ciri utama termasuk: lapisan penyerap germanium yang ditumbuhkan pada substrat silikon; Digunakan untuk mengumpul sentuhan p dan n pembawa cas; Gandingan pandu gelombang untuk penyerapan cahaya yang cekap.

Pertumbuhan epitaksi: Menumbuhkan germanium berkualiti tinggi pada silikon adalah mencabar kerana ketidakpadanan kekisi 4.2% antara kedua-dua bahan. Proses pertumbuhan dua langkah biasanya digunakan: pertumbuhan lapisan penimbal suhu rendah (300-400°C) dan pemendapan germanium suhu tinggi (melebihi 600°C). Kaedah ini membantu mengawal kehelan penguliran yang disebabkan oleh ketidakpadanan kekisi. Penyepuhlindapan pasca pertumbuhan pada 800-900°C seterusnya mengurangkan ketumpatan kehelan penguliran kepada kira-kira 10^7 cm^-2. Ciri-ciri prestasi: Pengesan foto PIN Ge/Si yang paling canggih boleh mencapai: daya tindak balas, > 0.8A /W pada 1550 nm; Lebar jalur, >60 GHz; Arus gelap, <1 μA pada bias -1 V.

Integrasi dengan platform optoelektronik berasaskan silikon

Integrasifotodetektor berkelajuan tinggidengan platform optoelektronik berasaskan silikon membolehkan transceiver dan interkoneksi optik termaju. Dua kaedah penyepaduan utama adalah seperti berikut: Penyepaduan bahagian hadapan (FEOL), di mana fotopengesan dan transistor dihasilkan secara serentak pada substrat silikon yang membolehkan pemprosesan suhu tinggi, tetapi mengambil kawasan cip. Penyepaduan bahagian belakang (BEOL). Fotopengesan dihasilkan di atas logam untuk mengelakkan gangguan dengan CMOS, tetapi terhad kepada suhu pemprosesan yang lebih rendah.

Rajah 2: Daya tindak balas dan lebar jalur fotodetektor Ge/Si berkelajuan tinggi

Aplikasi pusat data

Pengesan foto berkelajuan tinggi merupakan komponen utama dalam generasi sambungan pusat data yang seterusnya. Aplikasi utama termasuk: transceiver optik: 100G, 400G dan kadar yang lebih tinggi, menggunakan modulasi PAM-4;pengesan foto jalur lebar tinggi(>50 GHz) diperlukan.

Litar bersepadu optoelektronik berasaskan silikon: penyepaduan monolitik pengesan dengan modulator dan komponen lain; Enjin optik yang padat dan berprestasi tinggi.

Seni bina teragih: saling hubung optik antara pengkomputeran teragih, storan dan storan; Memacu permintaan untuk pengesan foto yang cekap tenaga dan lebar jalur tinggi.

Tinjauan masa hadapan

Masa depan fotodetektor berkelajuan tinggi optoelektronik bersepadu akan menunjukkan trend berikut:

Kadar data yang lebih tinggi: Memacu pembangunan transceiver 800G dan 1.6T; Fotopengesan dengan lebar jalur lebih besar daripada 100 GHz diperlukan.

Integrasi yang dipertingkatkan: Integrasi cip tunggal bahan III-V dan silikon; Teknologi integrasi 3D termaju.

Bahan baharu: Meneroka bahan dua dimensi (seperti grafena) untuk pengesanan cahaya ultra pantas; Aloi Kumpulan IV baharu untuk liputan panjang gelombang yang diperluas.

Aplikasi yang baru muncul: LiDAR dan aplikasi penderiaan lain memacu pembangunan APD; Aplikasi foton gelombang mikro yang memerlukan pengesan foto kelinearan tinggi.

Fotopengesan berkelajuan tinggi, terutamanya fotopengesan Ge atau Si, telah menjadi pemacu utama optoelektronik berasaskan silikon dan komunikasi optik generasi akan datang. Kemajuan berterusan dalam bahan, reka bentuk peranti dan teknologi penyepaduan adalah penting untuk memenuhi permintaan lebar jalur yang semakin meningkat bagi pusat data dan rangkaian telekomunikasi masa hadapan. Seiring dengan perkembangan bidang ini, kita boleh menjangkakan untuk melihat fotopengesan dengan lebar jalur yang lebih tinggi, hingar yang lebih rendah dan penyepaduan yang lancar dengan litar elektronik dan fotonik.