Silīcija bāzes optoelektronikai, silīcija fotodetektoriem (Si fotodetektors)

Silīcija bāzes optoelektronikai, silīcija fotodetektoriem

Fotodetektoripārveido gaismas signālus elektriskos signālos, un, tā kā datu pārraides ātrums turpina uzlaboties, ātrdarbīgi fotodetektori, kas integrēti ar uz silīcija bāzes veidotām optoelektronikas platformām, ir kļuvuši par galveno nākamās paaudzes datu centru un telekomunikāciju tīklu sastāvdaļu. Šajā rakstā sniegts pārskats par uzlabotiem ātrdarbīgiem fotodetektoriem, īpašu uzmanību pievēršot uz silīcija bāzes veidotajam germānijam (Ge vai Si fotodetektoram).silīcija fotodetektoriintegrētai optoelektronikas tehnoloģijai.

Germānijs ir pievilcīgs materiāls tuvā infrasarkanā starojuma noteikšanai uz silīcija platformām, jo ​​tas ir saderīgs ar CMOS procesiem un tam ir ārkārtīgi spēcīga absorbcija telekomunikāciju viļņu garumos. Visizplatītākā Ge/Si fotodetektora struktūra ir adatu diode, kurā iekšējais germānijs atrodas starp P tipa un N tipa reģioniem.

Ierīces struktūra 1. attēlā parādīts tipisks vertikāls Ge vaiSi fotodetektorsstruktūra:

Galvenās iezīmes ietver: uz silīcija substrāta audzētu germānija absorbējošo slāni; izmanto lādiņnesēju p un n kontaktu savākšanai; viļņvadu savienojumu efektīvai gaismas absorbcijai.

Epitaksiālā audzēšana: Augstas kvalitātes germānija audzēšana uz silīcija ir sarežģīta 4,2% režģa neatbilstības dēļ starp abiem materiāliem. Parasti tiek izmantots divpakāpju audzēšanas process: buferslāņa audzēšana zemā temperatūrā (300–400 °C) un germānija nogulsnēšana augstā temperatūrā (virs 600 °C). Šī metode palīdz kontrolēt vītņveida dislokācijas, ko izraisa režģa neatbilstība. Pēcaudzēšanas atkvēlināšana 800–900 °C temperatūrā vēl vairāk samazina vītņveida dislokāciju blīvumu līdz aptuveni 10^7 cm^-2. Veiktspējas raksturlielumi: Vismodernākais Ge/Si PIN fotodetektors var sasniegt: jutību > 0,8 A /W pie 1550 nm; joslas platumu >60 GHz; tumšo strāvu <1 μA pie -1 V nobīdes.

Integrācija ar silīcija bāzes optoelektronikas platformām

Integrācijaātrgaitas fotodetektoriar silīcija bāzes optoelektronikas platformām ļauj izveidot uzlabotus optiskos raidītājus un starpsavienojumus. Divas galvenās integrācijas metodes ir šādas: priekšējās daļas integrācija (FEOL), kur fotodetektors un tranzistors tiek vienlaicīgi izgatavoti uz silīcija substrāta, kas ļauj veikt apstrādi augstā temperatūrā, bet aizņem mikroshēmas laukumu; aizmugurējās daļas integrācija (BEOL). Fotodetektori tiek izgatavoti uz metāla virsmas, lai izvairītos no traucējumiem ar CMOS, bet tie ir ierobežoti ar zemākām apstrādes temperatūrām.

2. attēls: Ātrdarbīga Ge/Si fotodetektora jutība un joslas platums

Datu centra lietojumprogramma

Ātrdarbīgi fotodetektori ir galvenā sastāvdaļa nākamās paaudzes datu centru savienojumos. Galvenie pielietojumi ietver: optiskos raidītājus/uztvērējus: 100G, 400G un lielākus ātrumus, izmantojot PAM-4 modulāciju; Aaugstas joslas platuma fotodetektors(>50 GHz) ir nepieciešams.

Silīcija bāzes optoelektroniskā integrētā shēma: detektora monolīta integrācija ar modulatoru un citiem komponentiem; kompakts, augstas veiktspējas optiskais dzinējs.

Izkliedētā arhitektūra: optiskais savienojums starp izkliedēto skaitļošanu, datu krātuvi un datu glabāšanu; veicina pieprasījumu pēc energoefektīviem, liela joslas platuma fotodetektoriem.

Nākotnes perspektīvas

Integrēto optoelektronisko ātrgaitas fotodetektoru nākotne parādīs šādas tendences:

Augstāks datu pārraides ātrums: Veicinot 800G un 1,6T raidītāju un uztvērēju attīstību; Ir nepieciešami fotodetektori ar joslas platumu, kas lielāks par 100 GHz.

Uzlabota integrācija: III-V materiāla un silīcija integrācija vienā mikroshēmā; Uzlabota 3D integrācijas tehnoloģija.

Jauni materiāli: divdimensiju materiālu (piemēram, grafēna) izpēte īpaši ātrai gaismas noteikšanai; jauns IV grupas sakausējums plašākam viļņu garuma pārklājumam.

Jauni pielietojumi: LiDAR un citi sensoru pielietojumi veicina APD attīstību; mikroviļņu fotonu pielietojumi, kam nepieciešami augstas linearitātes fotodetektori.

Ātrdarbīgi fotodetektori, īpaši Ge vai Si fotodetektori, ir kļuvuši par galveno silīcija bāzes optoelektronikas un nākamās paaudzes optisko sakaru virzītājspēku. Pastāvīga materiālu, ierīču dizaina un integrācijas tehnoloģiju attīstība ir svarīga, lai apmierinātu nākotnes datu centru un telekomunikāciju tīklu pieaugošās joslas platuma prasības. Tā kā šī joma turpina attīstīties, mēs varam sagaidīt fotodetektorus ar lielāku joslas platumu, zemāku trokšņu līmeni un nemanāmu integrāciju ar elektroniskajām un fotoniskajām shēmām.