Для кремнієвої оптоелектроніки, кремнієві фотодетектори (Si фотодетектор)

Для оптоелектроніки на основі кремнію, кремнієві фотодетектори

Фотодетекториперетворюють світлові сигнали на електричні сигнали, і оскільки швидкість передачі даних продовжує покращуватися, високошвидкісні фотодетектори, інтегровані з кремнієвими оптоелектронними платформами, стали ключовими для центрів обробки даних та телекомунікаційних мереж наступного покоління. У цій статті буде надано огляд передових високошвидкісних фотодетекторів з акцентом на кремнієві германієві (Ge або Si фотодетектори).кремнієві фотодетекторидля інтегрованої оптоелектронної технології.

Германій є привабливим матеріалом для виявлення ближнього інфрачервоного світла на кремнієвих платформах, оскільки він сумісний з КМОП-процесами та має надзвичайно сильне поглинання на телекомунікаційних довжинах хвиль. Найпоширенішою структурою Ge/Si фотодетектора є pin-діод, у якому власний германій розташований між областями P-типу та N-типу.

Структура пристрою. На рисунку 1 показано типовий вертикальний штифт Ge абоSi фотодетекторструктура:

Основні характеристики включають: поглинаючий шар германію, вирощений на кремнієвій підкладці; використовується для збору p- та n-контактів носіїв заряду; хвилеводний зв'язок для ефективного поглинання світла.

Епітаксіальне зростання: Вирощування високоякісного германію на кремнії є складним завданням через невідповідність кристалічних решіток 4,2% між двома матеріалами. Зазвичай використовується двостадійний процес вирощування: низькотемпературний (300-400°C) рост буферного шару та високотемпературне (вище 600°C) осадження германію. Цей метод допомагає контролювати утворення різьблених дислокацій, спричинених невідповідністю кристалічних решіток. Відпал після вирощування при 800-900°C додатково зменшує щільність утворення різьблених дислокацій приблизно до 10^7 см^-2. Характеристики: Найсучасніший PIN-фотодетектор Ge/Si може досягти: чутливості > 0,8 А/Вт при 1550 нм; пропускної здатності > 60 ГГц; темнового струму < 1 мкА при зміщенні -1 В.

Інтеграція з кремнієвими оптоелектронними платформами

Інтеграціявисокошвидкісні фотодетекториЗавдяки кремнієвим оптоелектронним платформам можна створювати передові оптичні приймачі та з'єднання. Два основні методи інтеграції такі: фронтальна інтеграція (FEOL), де фотодетектор і транзистор одночасно виготовляються на кремнієвій підкладці, що дозволяє проводити високотемпературну обробку, але займає площу кристала. Внутрішня інтеграція (BEOL). Фотодетектори виготовляються поверх металу, щоб уникнути перешкод для CMOS, але обмежені нижчими температурами обробки.

Рисунок 2: Чутливість та смуга пропускання високошвидкісного Ge/Si фотодетектора

Застосування центру обробки даних

Високошвидкісні фотодетектори є ключовим компонентом наступного покоління взаємозв'язків центрів обробки даних. Основні застосування включають: оптичні приймачі: швидкості 100G, 400G і вище, що використовують модуляцію PAM-4;високошвидкісний фотодетектор(>50 ГГц).

Кремнієва оптоелектронна інтегральна схема: монолітна інтеграція детектора з модулятором та іншими компонентами; компактний, високопродуктивний оптичний двигун.

Розподілена архітектура: оптичний взаємозв'язок між розподіленими обчисленнями, сховищами та сховищами; Збільшення попиту на енергоефективні фотодетектори з високою пропускною здатністю.

Перспективи на майбутнє

Майбутнє інтегрованих оптоелектронних високошвидкісних фотодетекторів демонструватиме такі тенденції:

Вищі швидкості передачі даних: стимулювання розвитку приймачів-передавачів 800G та 1.6T; необхідні фотодетектори зі смугою пропускання понад 100 ГГц.

Покращена інтеграція: інтеграція матеріалу III-V та кремнію в один чіп; вдосконалена технологія 3D-інтеграції.

Нові матеріали: дослідження двовимірних матеріалів (таких як графен) для надшвидкого виявлення світла; новий сплав IV групи для розширеного охоплення довжин хвиль.

Нові застосування: LiDAR та інші сенсорні застосування стимулюють розвиток ламінованих фотодіодних фотодіодів (APD); застосування мікрохвильових фотонів, що вимагають фотодетекторів з високою лінійністю.

Високошвидкісні фотодетектори, особливо Ge або Si, стали ключовим фактором розвитку кремнієвої оптоелектроніки та оптичного зв'язку наступного покоління. Постійний прогрес у матеріалах, проектуванні пристроїв та технологіях інтеграції важливий для задоволення зростаючих потреб у пропускній здатності майбутніх центрів обробки даних та телекомунікаційних мереж. Оскільки ця галузь продовжує розвиватися, ми можемо очікувати появи фотодетекторів з вищою пропускною здатністю, нижчим рівнем шуму та безшовною інтеграцією з електронними та фотонними схемами.