Silikon bazlı optoelektronik için silikon fotodedektörler
Fotodedektörlerışık sinyallerini elektrik sinyallerine dönüştürür ve veri aktarım hızları iyileşmeye devam ettikçe, silikon tabanlı optoelektronik platformlarla entegre edilmiş yüksek hızlı fotodedektörler yeni nesil veri merkezleri ve telekomünikasyon ağları için anahtar haline gelmiştir. Bu makale, silikon tabanlı germanyum (Ge veya Si fotodedektör) üzerinde durularak gelişmiş yüksek hızlı fotodedektörlere genel bir bakış sağlayacaktırsilikon fotodedektörlerEntegre optoelektronik teknolojisi için.
Germanyum, CMOS süreçleriyle uyumlu olması ve telekomünikasyon dalga boylarında son derece güçlü bir emilime sahip olması nedeniyle silikon platformlarda yakın kızılötesi ışık tespiti için çekici bir malzemedir. En yaygın Ge/Si fotodedektör yapısı, içsel germanyumun P tipi ve N tipi bölgeler arasına sıkıştırıldığı pin diyottur.
Cihaz yapısı Şekil 1 tipik bir dikey pim Ge veyaSi fotodedektörüyapı:
Başlıca özellikleri şunlardır: Silisyum alt tabaka üzerine büyütülen germanyum emici tabaka; Yük taşıyıcılarının p ve n temaslarını toplamak için kullanılır; Verimli ışık emilimi için dalga kılavuzu kuplajı.
Epitaksiyel büyüme: İki malzeme arasındaki %4,2'lik kafes uyuşmazlığı nedeniyle, silikon üzerinde yüksek kaliteli germanyum yetiştirmek zordur. Genellikle iki adımlı bir büyüme süreci kullanılır: düşük sıcaklıkta (300-400 °C) tampon tabaka büyümesi ve yüksek sıcaklıkta (600 °C'nin üzerinde) germanyum birikimi. Bu yöntem, kafes uyuşmazlıklarından kaynaklanan dişlenme çıkıklıklarını kontrol etmeye yardımcı olur. 800-900 °C'de büyüme sonrası tavlama, dişlenme çıkıklığı yoğunluğunu yaklaşık 10^7 cm^-2'ye düşürür. Performans özellikleri: En gelişmiş Ge/Si PIN fotodedektörü şunları başarabilir: duyarlılık, 1550 nm'de > 0,8A /W; Bant genişliği, >60 GHz; Karanlık akım, -1 V önyargıda <1 μA.
Silikon tabanlı optoelektronik platformlarla entegrasyon
Entegrasyonuyüksek hızlı fotodedektörlersilikon tabanlı optoelektronik platformlarla gelişmiş optik alıcı-vericiler ve ara bağlantılar sağlar. İki ana entegrasyon yöntemi şunlardır: Ön uç entegrasyonu (FEOL), fotodetektör ve transistörün aynı anda yüksek sıcaklıkta işlemeye izin veren ancak çip alanını kaplayan bir silikon alt tabaka üzerinde üretildiği yer. Arka uç entegrasyonu (BEOL). Fotodetektörler, CMOS ile etkileşimi önlemek için metalin üstünde üretilir, ancak daha düşük işleme sıcaklıklarıyla sınırlıdır.
Şekil 2: Yüksek hızlı bir Ge/Si fotodedektörün tepkisi ve bant genişliği
Veri merkezi uygulaması
Yüksek hızlı fotodedektörler, yeni nesil veri merkezi bağlantılarında önemli bir bileşendir. Başlıca uygulamalar şunlardır: optik alıcı-vericiler: 100G, 400G ve daha yüksek hızlar, PAM-4 modülasyonu kullanılarak; Ayüksek bant genişliğine sahip fotodedektör(>50 GHz) gereklidir.
Silisyum tabanlı optoelektronik entegre devre: dedektörün modülatör ve diğer bileşenlerle monolitik entegrasyonu; Kompakt, yüksek performanslı optik motor.
Dağıtık mimari: Dağıtık bilgi işlem, depolama ve depolama arasındaki optik bağlantı; Enerji açısından verimli, yüksek bant genişliğine sahip fotodedektörlere olan talebi artırmak.
Gelecek görünümü
Entegre optoelektronik yüksek hızlı fotodedektörlerin geleceği aşağıdaki eğilimleri gösterecektir:
Daha yüksek veri hızları: 800G ve 1.6T alıcı-vericilerin geliştirilmesini teşvik etmek; 100 GHz'den daha büyük bant genişliğine sahip fotodedektörlere ihtiyaç duyulmaktadır.
Gelişmiş entegrasyon: III-V malzemesi ve silikonun tek çip entegrasyonu; Gelişmiş 3D entegrasyon teknolojisi.
Yeni malzemeler: Ultra hızlı ışık tespiti için iki boyutlu malzemelerin (grafen gibi) keşfi; Genişletilmiş dalga boyu kapsamı için yeni bir Grup IV alaşımı.
Ortaya çıkan uygulamalar: LiDAR ve diğer algılama uygulamaları APD'nin gelişimini yönlendiriyor; Yüksek doğrusallıkta fotodedektörler gerektiren mikrodalga foton uygulamaları.
Yüksek hızlı fotodedektörler, özellikle Ge veya Si fotodedektörleri, silikon tabanlı optoelektronik ve yeni nesil optik iletişimlerin temel itici gücü haline gelmiştir. Malzemelerde, cihaz tasarımında ve entegrasyon teknolojilerinde devam eden ilerlemeler, gelecekteki veri merkezlerinin ve telekomünikasyon ağlarının artan bant genişliği taleplerini karşılamak için önemlidir. Alan gelişmeye devam ettikçe, daha yüksek bant genişliğine, daha düşük gürültüye ve elektronik ve fotonik devrelerle sorunsuz entegrasyona sahip fotodedektörler görmeyi bekleyebiliriz.
Gönderi zamanı: 20-Oca-2025