For silisiumbasert optoelektronikk, silisiumfotodetektorer (Si Photodetektor)

For silisiumbasert optoelektronikk, silisiumfotodetektorer

FotodetektorerKonverter lyssignaler til elektriske signaler, og når dataoverføringshastigheter fortsetter å forbedre, har høyhastighets fotodetektorer integrert med silisiumbaserte optoelektronikkplattformer blitt nøkkelen til neste generasjons datasentre og telekommunikasjonsnettverk. Denne artikkelen vil gi en oversikt over avanserte høyhastighets fotodetektorer, med vekt på silisiumbasert germanium (GE eller Si Photodetector)SilisiumfotodetektorerFor integrert optoelektronikkteknologi.

Germanium er et attraktivt materiale for nær infrarødt lysdeteksjon på silisiumplattformer fordi det er kompatibelt med CMOS -prosesser og har ekstremt sterk absorpsjon ved telekommunikasjonsbølgelengder. Den vanligste GE/Si-fotodetektorstrukturen er pinnedioden, der det iboende germaniet er klemt mellom P-typen og N-typen regioner.

Enhetsstruktur Figur 1 viser en typisk vertikal pinne GE ellerSi Photodetectorstruktur:

Hovedfunksjonene inkluderer: Germanium -absorberende lag dyrket på silisiumsubstrat; Brukes til å samle inn P- og N -kontakter med ladebærere; Bølgelederkobling for effektiv lysabsorpsjon.

Epitaksial vekst: Å vokse høykvalitets germanium på silisium er utfordrende på grunn av 4,2% gittermatch mellom de to materialene. En totrinns vekstprosess brukes vanligvis: lav temperatur (300-400 ° C) bufferlagsvekst og høy temperatur (over 600 ° C) avsetning av germanium. Denne metoden hjelper til med å kontrollere tråddislokasjoner forårsaket av gittermatches. Annealing etter vekst ved 800-900 ° C reduserer ytterligere trådforskyvningstettheten til ca. 10^7 cm^-2. Ytelsesegenskaper: Den mest avanserte GE /SI -pin -fotodetektoren kan oppnå: respons,> 0,8a /w ved 1550 nm; Båndbredde,> 60 GHz; Mørk strøm, <1 μA ved -1 V skjevhet.

Integrasjon med silisiumbaserte optoelektroniske plattformer

Integrasjonen avHøyhastighets fotodetektorerMed silisiumbaserte optoelektroniske plattformer muliggjør avanserte optiske transceivere og sammenkoblinger. De to hovedintegrasjonsmetodene er som følger: Front-end integrasjon (FEOL), der fotodetektoren og transistoren samtidig produseres på et silisiumsubstrat som muliggjør høye temperaturbehandling, men tar opp chip-området. Back-end integrasjon (BEOL). Fotodetektorer er produsert på toppen av metallet for å unngå forstyrrelser med CMO -er, men er begrenset til lavere prosesseringstemperaturer.

Figur 2: Responsivitet og båndbredde for en høyhastighets GE/Si-fotodetektor

Datasenterprogram

Høyhastighets fotodetektorer er en nøkkelkomponent i neste generasjon av datasenterets sammenkobling. Hovedapplikasjoner inkluderer: optiske transceivere: 100G, 400G og høyere hastigheter ved bruk av PAM-4-modulasjon; ENHøy båndbredde fotodetektor(> 50 GHz) er påkrevd.

Silisiumbasert optoelektronisk integrert krets: monolitisk integrasjon av detektor med modulator og andre komponenter; En kompakt optisk motor med høy ytelse.

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

Fremtidsutsikter

Fremtiden for integrerte optoelektroniske høyhastighets fotodetektorer vil vise følgende trender:

Høyere datahastigheter: å drive utviklingen av 800G og 1,6T transceivere; Fotodetektorer med båndbredder større enn 100 GHz er påkrevd.

Forbedret integrasjon: Enkelt brikkeintegrasjon av III-V-materiale og silisium; Avansert 3D -integrasjonsteknologi.

Nye materialer: Utforske todimensjonale materialer (for eksempel grafen) for ultrahast lysdeteksjon; En ny gruppe IV -legering for utvidet bølgelengdedekning.

Emerging Applications: Lidar og andre sensing -applikasjoner driver utviklingen av APD; Mikrobølgeovn -fotonapplikasjoner som krever høye linearitetsfotodetektorer.

Høyhastighets fotodetektorer, spesielt GE- eller Si-fotodetektorer, har blitt en viktig driver for silisiumbasert optoelektronikk og neste generasjons optisk kommunikasjon. Fortsatte fremskritt innen materialer, enhetsdesign og integrasjonsteknologier er viktige for å oppfylle de voksende båndbreddekravene fra fremtidige datasentre og telekommunikasjonsnettverk. Når feltet fortsetter å utvikle seg, kan vi forvente å se fotodetektorer med høyere båndbredde, lavere støy og sømløs integrasjon med elektroniske og fotoniske kretsløp.