Voor opto-elektronica op basis van siliconen, siliciumfotodetectors
FotodetectorsConverteer lichtsignalen in elektrische signalen, en naarmate de gegevensoverdrachtssnelheden blijven verbeteren, zijn high-speed fotodetectoren geïntegreerd met siliconen gebaseerde opto-elektronica-platforms van cruciaal belang geworden tot datacenters van de volgende generatie en telecommunicatienetwerken. Dit artikel zal een overzicht geven van geavanceerde high-speed fotodetectors, met de nadruk op siliciumgebaseerd germanium (GE of SI Photodetector)silicium fotodetectorsvoor geïntegreerde opto -elektronica -technologie.
Germanium is een aantrekkelijk materiaal voor bijna infraroodlichtdetectie op siliciumplatforms omdat het compatibel is met CMOS -processen en een extreem sterke absorptie heeft bij telecommunicatiegolflengten. De meest voorkomende GE/SI-fotodetectorstructuur is de PIN-diode, waarin het intrinsieke germanium is ingeklemd tussen de regio's P-type en N-type.
Apparaatstructuur Afbeelding 1 toont een typische verticale pin ge ofSi Photodetectorstructuur:
De belangrijkste kenmerken omvatten: Germanium absorberende laag gekweekt op siliconensubstraat; Gebruikt om P- en N -contacten van ladingsdragers te verzamelen; WaveGuide -koppeling voor efficiënte lichtabsorptie.
Epitaxiale groei: groeiende germanium van hoge kwaliteit op silicium is een uitdaging vanwege de 4,2% roostermismatch tussen de twee materialen. Een tweestapsgroeiproces wordt meestal gebruikt: lage temperatuur (300-400 ° C) bufferlaaggroei en hoge temperatuur (boven 600 ° C) afzetting van germanium. Deze methode helpt bij het regelen van threading -dislocaties veroorzaakt door mismatches van rooster. Gloei na de groei bij 800-900 ° C vermindert de schroefdichte dislocatiedichtheid verder tot ongeveer 10^7 cm^-2. Prestatiekenmerken: de meest geavanceerde GE /Si Pin Photodetector kan bereiken: responsiviteit,> 0,8a /W bij 1550 nm; Bandbreedte,> 60 GHz; Donkere stroom, <1 μA bij -1 V bias.
Integratie met op silicium gebaseerde opto-elektronica-platforms
De integratie vanHigh-speed fotodetectorsMet op siliconen gebaseerde opto-elektronische platforms kunnen geavanceerde optische transceivers en interconnects mogelijk zijn. De twee belangrijkste integratiemethoden zijn als volgt: front-end integratie (FEOL), waarbij de fotodetector en transistor tegelijkertijd worden vervaardigd op een siliconensubstraat dat verwerking op hoge temperatuur mogelijk maakt, maar het chipgebied in beslag nemen. Back-end integratie (BEOL). Fotodetectoren worden bovenop het metaal vervaardigd om interferentie met CMO's te voorkomen, maar zijn beperkt tot lagere verwerkingstemperaturen.
Figuur 2: Responsiviteit en bandbreedte van een high-speed GE/SI Photodetector
Data Center -toepassing
High-speed fotodetectoren zijn een belangrijk onderdeel in de volgende generatie datacenter-interconnectie. Hoofdtoepassingen zijn onder meer: optische zendontvangers: 100 g, 400 g en hogere snelheden, met behulp van PAM-4-modulatie; AHoge bandbreedte fotodetector(> 50 GHz) is vereist.
Op siliconen gebaseerd opto-elektronisch geïntegreerd circuit: monolithische integratie van detector met modulator en andere componenten; Een compacte, krachtige optische motor.
Gedistribueerde architectuur: optische interconnectie tussen gedistribueerde computer, opslag en opslag; De vraag naar energie-efficiënte fotodetectors met hoge bandbreedte stimuleren.
Toekomstige vooruitzichten
De toekomst van geïntegreerde opto-elektronische high-speed fotodetectors zal de volgende trends tonen:
Hogere gegevenssnelheden: het stimuleren van de ontwikkeling van 800 g en 1.6T -zendontvangers; Fotodetectoren met bandbreedtes groter dan 100 GHz zijn vereist.
Verbeterde integratie: enkele chip-integratie van III-V-materiaal en silicium; Geavanceerde 3D -integratietechnologie.
Nieuwe materialen: het verkennen van tweedimensionale materialen (zoals grafeen) voor ultrasnelle lichtdetectie; Een nieuwe groep IV -legering voor langdurige golflengtedekking.
Opkomende toepassingen: Lidar en andere detectietoepassingen stimuleren de ontwikkeling van APD; Microwave foton -toepassingen waarvoor fotodetectoren met hoge lineariteit nodig zijn.
High-speed fotodetectoren, met name GE- of SI-fotodetectoren, zijn een belangrijke motor geworden van siliconen-gebaseerde opto-elektronica en optische communicatie van de volgende generatie. Aanhoudende vooruitgang in materiaal-, apparaatontwerp- en integratietechnologieën zijn belangrijk om te voldoen aan de groeiende eisen van de bandbreedte van toekomstige datacenters en telecommunicatienetwerken. Naarmate het veld blijft evolueren, kunnen we verwachten dat we fotodetectors met een hogere bandbreedte, lagere ruis en naadloze integratie met elektronische en fotonische circuits kunnen zien.
Posttijd: jan-20-2025