Silikon əsaslı optoelektronika, silikon fotodetektorlar üçün (Si fotodetektor)

Silikon əsaslı optoelektronika, silikon fotodetektorlar üçün

Fotodetektorlarişıq siqnallarını elektrik siqnallarına çevirmək və məlumat ötürmə sürətləri yaxşılaşmağa davam etdikcə, silikon əsaslı optoelektronika platformaları ilə inteqrasiya olunmuş yüksək sürətli fotodetektorlar yeni nəsil məlumat mərkəzləri və telekommunikasiya şəbəkələrinin açarı oldu. Bu məqalə silikon əsaslı germanium (Ge və ya Si fotodetektoru) üzərində vurğulanmaqla qabaqcıl yüksək sürətli fotodetektorların icmalını təqdim edəcəkdir.silikon fotodetektorlarinteqrasiya edilmiş optoelektronika texnologiyası üçün.

Germanium silikon platformalarda yaxın infraqırmızı işığın aşkarlanması üçün cəlbedici materialdır, çünki o, CMOS proseslərinə uyğundur və telekommunikasiya dalğa uzunluqlarında olduqca güclü udma qabiliyyətinə malikdir. Ən çox yayılmış Ge/Si fotodetektor quruluşu, daxili germaniumun P tipli və N tipli bölgələr arasında sıxışdırıldığı pin diodudur.

Cihazın strukturu Şəkil 1 tipik şaquli pin Ge və ya göstərirSi fotodetektorstruktur:

Əsas xüsusiyyətlərə aşağıdakılar daxildir: silikon substratda yetişdirilmiş germanium udma təbəqəsi; Yük daşıyıcılarının p və n kontaktlarını toplamaq üçün istifadə olunur; Effektiv işığın udulması üçün dalğa bələdçisi birləşməsi.

Epitaksial artım: Silikon üzərində yüksək keyfiyyətli germanium yetişdirmək iki material arasında 4,2% qəfəs uyğunsuzluğu səbəbindən çətindir. Adətən iki mərhələli böyümə prosesi istifadə olunur: aşağı temperaturda (300-400°C) bufer təbəqəsinin böyüməsi və yüksək temperaturda (600°C-dən yuxarı) germaniumun çökməsi. Bu üsul şəbəkənin uyğunsuzluğu nəticəsində yaranan yivlərin dislokasiyasını idarə etməyə kömək edir. 800-900°C temperaturda böyümədən sonrakı yumşalma dişlərin dislokasiya sıxlığını təxminən 10^7 sm^-2 qədər azaldır. Performans xüsusiyyətləri: Ən qabaqcıl Ge/Si PIN fotodetektoru aşağıdakılara nail ola bilər: cavab reaksiyası, 1550 nm-də > 0,8A /W; Bant genişliyi,>60 GHz; Qaranlıq cərəyan, -1 V əyilmədə <1 μA.

Silikon əsaslı optoelektronika platformaları ilə inteqrasiya

inteqrasiyasıyüksək sürətli fotodetektorlarsilikon əsaslı optoelektronika platformaları ilə qabaqcıl optik ötürücülərə və interconnectlərə imkan verir. İki əsas inteqrasiya metodu aşağıdakılardır: Fotodetektor və tranzistorun eyni vaxtda yüksək temperaturda emal etməyə imkan verən, lakin çip sahəsini tutan silikon substratda istehsal edildiyi Front-end inteqrasiyası (FEOL). Back-end inteqrasiyası (BEOL). Fotodetektorlar CMOS-a müdaxilə etməmək üçün metalın üstündə istehsal olunur, lakin daha aşağı emal temperaturu ilə məhdudlaşır.

Şəkil 2: Yüksək sürətli Ge/Si fotodetektorunun cavab qabiliyyəti və bant genişliyi

Məlumat mərkəzi tətbiqi

Yüksək sürətli fotodetektorlar məlumat mərkəzinin qarşılıqlı əlaqəsinin növbəti nəslinin əsas komponentidir. Əsas tətbiqlərə aşağıdakılar daxildir: optik ötürücülər: 100G, 400G və daha yüksək tariflər, PAM-4 modulyasiyasından istifadə etməklə; Ayüksək bant genişliyi fotodetektoru(>50 GHz) tələb olunur.

Silikon əsaslı optoelektronik inteqral sxem: modulator və digər komponentlərlə detektorun monolit inteqrasiyası; Kompakt, yüksək performanslı optik mühərrik.

Paylanmış arxitektura: paylanmış hesablama, saxlama və saxlama arasında optik qarşılıqlı əlaqə; Enerjiyə qənaət edən, yüksək bant genişliyi olan fotodetektorlara tələbi artırır.

Gələcəyə baxış

İnteqrasiya edilmiş optoelektron yüksək sürətli fotodetektorların gələcəyi aşağıdakı tendensiyaları göstərəcəkdir:

Daha yüksək məlumat sürəti: 800G və 1.6T ötürücülərinin inkişafı; 100 GHz-dən çox bant genişliyi olan fotodetektorlar tələb olunur.

Təkmilləşdirilmiş inteqrasiya: III-V material və silisiumun tək çip inteqrasiyası; Qabaqcıl 3D inteqrasiya texnologiyası.

Yeni materiallar: Ultra sürətli işığın aşkarlanması üçün iki ölçülü materialların (məsələn, qrafen) tədqiqi; Geniş dalğa uzunluğu əhatəsi üçün yeni Qrup IV ərintisi.

İnkişaf etməkdə olan proqramlar: LiDAR və digər həssas tətbiqlər APD-nin inkişafına təkan verir; Yüksək xətti fotodetektorlar tələb edən mikrodalğalı foton tətbiqləri.

Yüksək sürətli fotodetektorlar, xüsusilə Ge və ya Si fotodetektorları, silikon əsaslı optoelektronika və yeni nəsil optik rabitənin əsas sürücüsünə çevrilmişdir. Materiallarda, cihaz dizaynında və inteqrasiya texnologiyalarında davamlı irəliləyişlər gələcək məlumat mərkəzlərinin və telekommunikasiya şəbəkələrinin artan bant genişliyi tələblərini ödəmək üçün vacibdir. Sahə inkişaf etməyə davam etdikcə biz daha yüksək bant genişliyi, daha az səs-küy və elektron və fotonik sxemlərlə qüsursuz inteqrasiyaya malik fotodetektorları görəcəyimizi gözləyə bilərik.