За силициева оптоелектроника, силициеви фотодетектори (Si фотодетектор)

За силициева оптоелектроника, силициеви фотодетектори

Фотодетекторипреобразуват светлинните сигнали в електрически сигнали и тъй като скоростите на пренос на данни продължават да се подобряват, високоскоростните фотодетектори, интегрирани със силициеви оптоелектронни платформи, се превърнаха в ключови за центровете за данни и телекомуникационните мрежи от следващо поколение. Тази статия ще предостави преглед на усъвършенстваните високоскоростни фотодетектори, с акцент върху силициевия германий (Ge или Si фотодетектор).силициеви фотодетекториза интегрирана оптоелектронна технология.

Германийът е привлекателен материал за детектиране на близка инфрачервена светлина върху силициеви платформи, тъй като е съвместим с CMOS процеси и има изключително силно поглъщане при телекомуникационни дължини на вълните. Най-разпространената Ge/Si структура на фотодетектора е пин диод, в който вътрешният германий е разположен между P-тип и N-тип области.

Структура на устройството Фигура 1 показва типичен вертикален пин Ge илиSi фотодетекторструктура:

Основните характеристики включват: абсорбиращ слой от германий, отгледан върху силициева подложка; използва се за събиране на p и n контакти на носители на заряд; вълноводно свързване за ефективно абсорбиране на светлина.

Епитаксиален растеж: Отглеждането на висококачествен германий върху силиций е предизвикателство поради 4,2% несъответствие в решетките между двата материала. Обикновено се използва двуетапен процес на растеж: растеж на буферен слой при ниска температура (300-400°C) и отлагане на германий при висока температура (над 600°C). Този метод помага за контролиране на дислокациите, образувани от несъответствия в решетките. Отгряването след растеж при 800-900°C допълнително намалява плътността на дислокациите, образувани от резби, до около 10^7 cm^-2. Характеристики на производителността: Най-модерният Ge/Si PIN фотодетектор може да постигне: чувствителност > 0,8A/W при 1550 nm; честотна лента > 60 GHz; тъмен ток < 1 μA при -1 V отклонение.

Интеграция със силициеви оптоелектронни платформи

Интеграцията нависокоскоростни фотодетекториС помощта на силициеви оптоелектронни платформи се постигат усъвършенствани оптични приемо-предаватели и взаимовръзки. Двата основни метода за интеграция са следните: Интеграция отпред (FEOL), при която фотодетекторът и транзисторът се произвеждат едновременно върху силициева подложка, което позволява обработка при висока температура, но заема площ на чипа. Интеграция отзад (BEOL). Фотодетекторите се произвеждат върху метала, за да се избегне смущение от CMOS, но са ограничени до по-ниски температури на обработка.

Фигура 2: Чувствителност и честотна лента на високоскоростен Ge/Si фотодетектор

Приложение за център за данни

Високоскоростните фотодетектори са ключов компонент в следващото поколение взаимосвързване на центрове за данни. Основните приложения включват: оптични приемо-предаватели: 100G, 400G и по-високи скорости, използващи PAM-4 модулация;фотодетектор с висока честотна лента(>50 GHz) е необходима.

Силициева оптоелектронна интегрална схема: монолитна интеграция на детектор с модулатор и други компоненти; Компактен, високопроизводителен оптичен двигател.

Разпределена архитектура: оптична взаимовръзка между разпределените изчисления, съхранението и съхранението; стимулиране на търсенето на енергийно ефективни фотодетектори с висока пропускателна способност.

Бъдещи перспективи

Бъдещето на интегрираните оптоелектронни високоскоростни фотодетектори ще покаже следните тенденции:

По-високи скорости на пренос на данни: Стимулиране на разработването на 800G и 1.6T приемо-предаватели; Необходими са фотодетектори с честотна лента над 100 GHz.

Подобрена интеграция: Интеграция на III-V материал и силиций в един чип; Усъвършенствана 3D технология за интеграция.

Нови материали: Изследване на двуизмерни материали (като графен) за ултрабързо откриване на светлина; Нова сплав от група IV за разширено покритие на дължината на вълната.

Нововъзникващи приложения: LiDAR и други сензорни приложения движат развитието на APD; Микровълнови фотонни приложения, изискващи фотодетектори с висока линейност.

Високоскоростните фотодетектори, особено Ge или Si фотодетекторите, се превърнаха в ключов двигател на силициевата оптоелектроника и оптичните комуникации от следващо поколение. Непрекъснатият напредък в материалите, дизайна на устройствата и технологиите за интеграция е важен за посрещане на нарастващите изисквания за честотна лента на бъдещите центрове за данни и телекомуникационни мрежи. С развитието на областта можем да очакваме фотодетектори с по-висока честотна лента, по-нисък шум и безпроблемна интеграция с електронни и фотонни схеми.