For silisiumbasert optoelektronikk, silisiumfotodetektorer (Si-fotodetektor)

For silisiumbasert optoelektronikk, silisiumfotodetektorer

Fotodetektorerkonverterer lyssignaler til elektriske signaler, og etter hvert som dataoverføringshastighetene fortsetter å forbedres, har høyhastighetsfotodetektorer integrert med silisiumbaserte optoelektronikkplattformer blitt nøkkelen til neste generasjons datasentre og telekommunikasjonsnettverk. Denne artikkelen vil gi en oversikt over avanserte høyhastighetsfotodetektorer, med vekt på silisiumbasert germanium (Ge- eller Si-fotodetektor)silisiumfotodetektorerfor integrert optoelektronikkteknologi.

Germanium er et attraktivt materiale for deteksjon av nær-infrarødt lys på silisiumplattformer fordi det er kompatibelt med CMOS-prosesser og har ekstremt sterk absorpsjon ved telekommunikasjonsbølgelengder. Den vanligste Ge/Si-fotodetektorstrukturen er pin-dioden, der det iboende germaniumet er klemt mellom P-type- og N-type-områdene.

Enhetsstruktur Figur 1 viser en typisk vertikal pinne Ge ellerSi-fotodetektorstruktur:

Hovedfunksjonene inkluderer: germaniumabsorberende lag dyrket på silisiumsubstrat; brukes til å samle p- og n-kontakter fra ladningsbærere; bølgelederkobling for effektiv lysabsorpsjon.

Epitaksial vekst: Det er utfordrende å dyrke germanium av høy kvalitet på silisium på grunn av den gittermessige avviket på 4,2 % mellom de to materialene. Vanligvis brukes en totrinns vekstprosess: lavtemperatur (300–400 °C) bufferlagsvekst og høytemperatur (over 600 °C) avsetning av germanium. Denne metoden bidrar til å kontrollere gjengeforskyvninger forårsaket av gitteravvik. Ettervekstglødning ved 800–900 °C reduserer gjengeforskyvningstettheten ytterligere til omtrent 10^7 cm^-2. Ytelsesegenskaper: Den mest avanserte Ge/Si PIN-fotodetektoren kan oppnå: responsivitet > 0,8 A/W ved 1550 nm; båndbredde > 60 GHz; mørkestrøm <1 μA ved -1 V bias.

Integrasjon med silisiumbaserte optoelektronikkplattformer

Integreringen avhøyhastighets fotodetektorerMed silisiumbaserte optoelektroniske plattformer muliggjør dette avanserte optiske transceivere og sammenkoblinger. De to viktigste integrasjonsmetodene er som følger: Front-end-integrasjon (FEOL), der fotodetektoren og transistoren produseres samtidig på et silisiumsubstrat, noe som muliggjør høytemperaturbehandling, men tar opp brikkeareal. Back-end-integrasjon (BEOL). Fotodetektorer produseres oppå metallet for å unngå interferens med CMOS, men er begrenset til lavere behandlingstemperaturer.

Figur 2: Responsivitet og båndbredde til en høyhastighets Ge/Si-fotodetektor

Datasenterapplikasjon

Høyhastighetsfotodetektorer er en nøkkelkomponent i neste generasjon av datasenterforbindelser. Hovedapplikasjoner inkluderer: optiske sendere/mottakere: 100G, 400G og høyere hastigheter, ved bruk av PAM-4-modulasjon; Afotodetektor med høy båndbredde(>50 GHz) er nødvendig.

Silisiumbasert optoelektronisk integrert krets: monolittisk integrasjon av detektor med modulator og andre komponenter; En kompakt, høytytende optisk motor.

Distribuert arkitektur: optisk sammenkobling mellom distribuert databehandling, lagring og lagring; Driver etterspørselen etter energieffektive fotodetektorer med høy båndbredde.

Fremtidsutsikter

Fremtiden for integrerte optoelektroniske høyhastighetsfotodetektorer vil vise følgende trender:

Høyere datahastigheter: Drivkraften bak utviklingen av 800G- og 1,6T-transceivere; Fotodetektorer med båndbredder større enn 100 GHz er nødvendig.

Forbedret integrasjon: Integrering av III-V-materiale og silisium med én brikke; Avansert 3D-integrasjonsteknologi.

Nye materialer: Utforsking av todimensjonale materialer (som grafen) for ultrahurtig lysdeteksjon; En ny gruppe IV-legering for utvidet bølgelengdedekning.

Nye applikasjoner: LiDAR og andre sensorapplikasjoner driver utviklingen av APD; mikrobølgefotonapplikasjoner som krever fotodetektorer med høy linearitet.

Høyhastighetsfotodetektorer, spesielt Ge- eller Si-fotodetektorer, har blitt en sentral drivkraft for silisiumbasert optoelektronikk og neste generasjons optisk kommunikasjon. Kontinuerlige fremskritt innen materialer, enhetsdesign og integrasjonsteknologier er viktige for å møte de økende båndbreddebehovene til fremtidige datasentre og telekommunikasjonsnettverk. Etter hvert som feltet fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se fotodetektorer med høyere båndbredde, lavere støy og sømløs integrasjon med elektroniske og fotoniske kretser.