Til siliciumbaseret optoelektronik, siliciumfotodetektorer
Fotodetektorerkonverterer lyssignaler til elektriske signaler, og i takt med at dataoverførselshastighederne fortsætter med at forbedres, er højhastighedsfotodetektorer integreret med siliciumbaserede optoelektroniske platforme blevet nøglen til næste generations datacentre og telekommunikationsnetværk. Denne artikel vil give et overblik over avancerede højhastighedsfotodetektorer med vægt på siliciumbaseret germanium (Ge- eller Si-fotodetektor)silicium fotodetektorertil integreret optoelektronikteknologi.
Germanium er et attraktivt materiale til detektion af nær-infrarødt lys på siliciumplatforme, fordi det er kompatibelt med CMOS-processer og har ekstremt stærk absorption ved telekommunikationsbølgelængder. Den mest almindelige Ge/Si-fotodetektorstruktur er pin-dioden, hvor det iboende germanium er klemt inde mellem P-type og N-type regionerne.
Enhedsstruktur Figur 1 viser en typisk lodret stift Ge ellerSi-fotodetektorstruktur:
Hovedfunktionerne omfatter: germaniumabsorberende lag dyrket på siliciumsubstrat; brugt til at opsamle p- og n-kontakter fra ladningsbærere; bølgelederkobling til effektiv lysabsorption.
Epitaksial vækst: Det er udfordrende at dyrke germanium af høj kvalitet på silicium på grund af den 4,2 % gittermismatch mellem de to materialer. Der anvendes normalt en totrins vækstproces: vækst af bufferlag ved lav temperatur (300-400 °C) og aflejring af germanium ved høj temperatur (over 600 °C). Denne metode hjælper med at kontrollere gevindforskydninger forårsaget af gittermismatches. Eftervækstglødning ved 800-900 °C reducerer yderligere gevindforskydningstætheden til ca. 10^7 cm^-2. Ydelsesegenskaber: Den mest avancerede Ge/Si PIN-fotodetektor kan opnå: responsivitet, > 0,8 A/W ved 1550 nm; båndbredde, >60 GHz; mørkestrøm, <1 μA ved -1 V bias.
Integration med siliciumbaserede optoelektronikplatforme
Integrationen afhøjhastighedsfotodetektorerMed siliciumbaserede optoelektroniske platforme muliggøres avancerede optiske transceivere og forbindelser. De to primære integrationsmetoder er som følger: Front-end-integration (FEOL), hvor fotodetektoren og transistoren fremstilles samtidigt på et siliciumsubstrat, hvilket muliggør højtemperaturbehandling, men optager chipareal. Back-end-integration (BEOL). Fotodetektorer fremstilles oven på metallet for at undgå interferens med CMOS, men er begrænset til lavere behandlingstemperaturer.
Figur 2: Reaktionsevne og båndbredde for en højhastigheds Ge/Si-fotodetektor
Datacenterapplikation
Højhastighedsfotodetektorer er en nøglekomponent i den næste generation af datacenterforbindelser. De vigtigste anvendelser omfatter: optiske transceivere: 100G, 400G og højere hastigheder, ved hjælp af PAM-4-modulation; Afotodetektor med høj båndbredde(>50 GHz) er påkrævet.
Siliciumbaseret optoelektronisk integreret kredsløb: monolitisk integration af detektor med modulator og andre komponenter; En kompakt, højtydende optisk motor.
Distribueret arkitektur: optisk sammenkobling mellem distribueret databehandling, lagring og lagring; Øget efterspørgsel efter energieffektive fotodetektorer med høj båndbredde.
Fremtidsudsigter
Fremtiden for integrerede optoelektroniske højhastighedsfotodetektorer vil vise følgende tendenser:
Højere datahastigheder: Drivkraften bag udviklingen af 800G- og 1,6T-transceivere; Fotodetektorer med båndbredder på over 100 GHz er påkrævet.
Forbedret integration: Integration af III-V-materiale og silicium på én chip; Avanceret 3D-integrationsteknologi.
Nye materialer: Udforskning af todimensionelle materialer (såsom grafen) til ultrahurtig lysdetektion; en ny gruppe IV-legering til udvidet bølgelængdedækning.
Nye applikationer: LiDAR og andre sensorapplikationer driver udviklingen af APD; mikrobølgefotonapplikationer, der kræver fotodetektorer med høj linearitet.
Højhastighedsfotodetektorer, især Ge- eller Si-fotodetektorer, er blevet en central drivkraft inden for siliciumbaseret optoelektronik og næste generations optisk kommunikation. Fortsatte fremskridt inden for materialer, enhedsdesign og integrationsteknologier er vigtige for at imødekomme de voksende båndbreddekrav i fremtidens datacentre og telekommunikationsnetværk. Efterhånden som feltet fortsætter med at udvikle sig, kan vi forvente at se fotodetektorer med højere båndbredde, lavere støj og problemfri integration med elektroniske og fotoniske kredsløb.
Udsendelsestidspunkt: 20. januar 2025