Voor op silicium gebaseerde opto-elektronica, siliciumfotodetectoren
FotodetectorenLichtsignalen omzetten in elektrische signalen. Naarmate de gegevensoverdrachtssnelheden blijven verbeteren, zijn snelle fotodetectoren, geïntegreerd met op silicium gebaseerde opto-elektronische platforms, essentieel geworden voor datacenters en telecommunicatienetwerken van de volgende generatie. Dit artikel geeft een overzicht van geavanceerde snelle fotodetectoren, met de nadruk op germanium (Ge- of Si-fotodetector) op siliciumbasis.silicium fotodetectorenvoor geïntegreerde opto-elektronische technologie.
Germanium is een aantrekkelijk materiaal voor de detectie van nabij-infraroodlicht op siliciumplatforms, omdat het compatibel is met CMOS-processen en extreem sterke absorptie heeft bij telecommunicatiegolflengten. De meest voorkomende Ge/Si-fotodetectorstructuur is de pindiode, waarin het intrinsieke germanium tussen de P-type en N-type gebieden is geplaatst.
Apparaatstructuur Figuur 1 toont een typische verticale pin Ge ofSi-fotodetectorstructuur:
De belangrijkste kenmerken zijn: germaniumabsorberende laag gegroeid op siliciumsubstraat; wordt gebruikt om p- en n-contacten van ladingdragers te verzamelen; golfgeleiderkoppeling voor efficiënte lichtabsorptie.
Epitaxiale groei: Het kweken van hoogwaardig germanium op silicium is een uitdaging vanwege de roostermismatch van 4,2% tussen de twee materialen. Meestal wordt een tweestaps groeiproces gebruikt: groei van de bufferlaag bij lage temperatuur (300-400 °C) en depositie van germanium bij hoge temperatuur (boven 600 °C). Deze methode helpt bij het beheersen van dislocaties in de schroefdraad veroorzaakt door roostermismatches. Post-groei-annealing bij 800-900 °C verlaagt de dislocatiedichtheid in de schroefdraad verder tot ongeveer 10^7 cm^-2. Prestatiekenmerken: De meest geavanceerde Ge/Si PIN-fotodetector kan het volgende bereiken: responsiviteit, > 0,8 A/W bij 1550 nm; bandbreedte, > 60 GHz; donkerstroom, < 1 μA bij -1 V bias.
Integratie met op silicium gebaseerde opto-elektronische platforms
De integratie vanhogesnelheidsfotodetectorenMet op silicium gebaseerde opto-elektronische platforms zijn geavanceerde optische transceivers en interconnects mogelijk. De twee belangrijkste integratiemethoden zijn: Front-end integratie (FEOL), waarbij de fotodetector en transistor gelijktijdig op een siliciumsubstraat worden vervaardigd, wat verwerking bij hoge temperaturen mogelijk maakt, maar wel chipruimte in beslag neemt. Back-end integratie (BEOL). Fotodetectoren worden bovenop het metaal vervaardigd om interferentie met CMOS te voorkomen, maar zijn beperkt tot lagere verwerkingstemperaturen.
Figuur 2: Responsiviteit en bandbreedte van een snelle Ge/Si-fotodetector
Datacentertoepassing
Hogesnelheidsfotodetectoren zijn een belangrijk onderdeel van de volgende generatie datacenterinterconnectie. De belangrijkste toepassingen zijn: optische transceivers met snelheden van 100G, 400G en hoger, gebruikmakend van PAM-4-modulatie; Afotodetector met hoge bandbreedte(>50 GHz) is vereist.
Opto-elektronische geïntegreerde schakeling op siliciumbasis: monolithische integratie van detector met modulator en andere componenten; Een compacte, hoogwaardige optische motor.
Gedistribueerde architectuur: optische verbinding tussen gedistribueerde computing, opslag en storage; stimuleert de vraag naar energiezuinige fotodetectoren met hoge bandbreedte.
Toekomstperspectief
De toekomst van geïntegreerde opto-elektronische hogesnelheidsfotodetectoren zal de volgende trends laten zien:
Hogere gegevenssnelheden: de ontwikkeling van 800G- en 1,6T-transceivers wordt gestimuleerd; fotodetectoren met bandbreedtes groter dan 100 GHz zijn vereist.
Verbeterde integratie: integratie van III-V-materiaal en silicium op één chip; geavanceerde 3D-integratietechnologie.
Nieuwe materialen: onderzoek naar tweedimensionale materialen (zoals grafeen) voor ultrakorte lichtdetectie; een nieuwe groep IV-legering voor uitgebreide golflengtedekking.
Nieuwe toepassingen: LiDAR en andere sensortoepassingen stimuleren de ontwikkeling van APD; toepassingen met microgolffotonen waarvoor fotodetectoren met een hoge lineariteit nodig zijn.
Hogesnelheidsfotodetectoren, met name Ge- of Si-fotodetectoren, zijn een belangrijke aanjager geworden van op silicium gebaseerde opto-elektronica en optische communicatie van de volgende generatie. Voortdurende vooruitgang in materialen, apparaatontwerp en integratietechnologieën is belangrijk om te voldoen aan de groeiende bandbreedtebehoefte van toekomstige datacenters en telecommunicatienetwerken. Naarmate het vakgebied zich verder ontwikkelt, kunnen we fotodetectoren verwachten met een hogere bandbreedte, minder ruis en naadloze integratie met elektronische en fotonische circuits.
Plaatsingstijd: 20-01-2025