Silikon əsaslı optoelektronika üçün, silikon fotodetektorları (Si fotodetektoru)

Silikon əsaslı optoelektronika üçün silikon fotodetektorları

Fotodetektorlarişıq siqnallarını elektrik siqnallarına çevirmək və məlumat ötürmə sürəti yaxşılaşmağa davam etdikcə, silikon əsaslı optoelektronika platformaları ilə inteqrasiya olunmuş yüksək sürətli fotodetektorlar yeni nəsil məlumat mərkəzləri və telekommunikasiya şəbəkələri üçün açar hala gəlmişdir. Bu məqalədə silikon əsaslı germaniuma (Ge və ya Si fotodetektoru) vurğu etməklə qabaqcıl yüksək sürətli fotodetektorlara ümumi baxış təqdim olunacaq.silikon fotodetektorlarıinteqrasiya olunmuş optoelektronika texnologiyası üçün.

Germanium, CMOS prosesləri ilə uyğun olduğu və telekommunikasiya dalğa uzunluqlarında son dərəcə güclü udma qabiliyyətinə malik olduğu üçün silikon platformalarında yaxın infraqırmızı işığın aşkarlanması üçün cəlbedici bir materialdır. Ən çox yayılmış Ge/Si fotodetektor quruluşu, daxili germaniumun P tipli və N tipli bölgələr arasında yerləşdiyi pin diodudur.

Cihazın quruluşu Şəkil 1 tipik şaquli pin Ge və ya göstərirSi fotodetektorustruktur:

Əsas xüsusiyyətlərə aşağıdakılar daxildir: silikon substrat üzərində yetişdirilən germanium udma təbəqəsi; Yük daşıyıcılarının p və n kontaktlarını toplamaq üçün istifadə olunur; Səmərəli işığın udulması üçün dalğa ötürücü birləşdirici.

Epitaksial böyümə: İki material arasında 4,2% qəfəs uyğunsuzluğu səbəbindən yüksək keyfiyyətli germaniumun silikon üzərində yetişdirilməsi çətindir. Adətən iki mərhələli böyümə prosesi istifadə olunur: aşağı temperaturda (300-400°C) bufer təbəqəsinin böyüməsi və germaniumun yüksək temperaturda (600°C-dən yuxarı) çökməsi. Bu üsul qəfəs uyğunsuzluqlarından qaynaqlanan yiv çıxıqlarını idarə etməyə kömək edir. 800-900°C-də böyümədən sonra tavlama yiv çıxıqlarının sıxlığını təxminən 10^7 sm^-2-ə qədər azaldır. Performans xüsusiyyətləri: Ən qabaqcıl Ge/Si PIN fotodetektoru aşağıdakılara nail ola bilər: cavabdehlik, 1550 nm-də > 0,8A /W; Bant genişliyi, >60 GHz; Tünd cərəyan, -1 V qərəzdə <1 μA.

Silikon əsaslı optoelektronika platformaları ilə inteqrasiya

İnteqrasiyasıyüksək sürətli fotodetektorlarSilikon əsaslı optoelektronika platformaları qabaqcıl optik ötürücü və qarşılıqlı əlaqələrə imkan verir. İki əsas inteqrasiya metodu aşağıdakılardır: Ön inteqrasiya (FEOL), burada fotodetektor və tranzistor eyni vaxtda silikon substrat üzərində istehsal olunur və yüksək temperaturlu emal üçün imkan verir, lakin çip sahəsini tutur. Arxa inteqrasiya (BEOL). Fotodetektorlar CMOS ilə müdaxilənin qarşısını almaq üçün metalın üzərində istehsal olunur, lakin daha aşağı emal temperaturları ilə məhdudlaşır.

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

Məlumat mərkəzi tətbiqi

Yüksək sürətli fotodetektorlar növbəti nəsil məlumat mərkəzi qarşılıqlı əlaqəsində əsas komponentdir. Əsas tətbiqlərə aşağıdakılar daxildir: PAM-4 modulyasiyasından istifadə edən 100G, 400G və daha yüksək tezlikli optik ötürücülər; Ayüksək bant genişliyi fotodetektoru(>50 GHz) tələb olunur.

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

Paylanmış arxitektura: paylanmış hesablama, yaddaş və yaddaş arasında optik əlaqə; Enerjiyə qənaət edən, yüksək bant genişliyinə malik fotodetektorlara tələbatı artırmaq.

Gələcək baxış

İnteqrasiya olunmuş optoelektronik yüksək sürətli fotodetektorların gələcəyi aşağıdakı tendensiyaları göstərəcək:

Daha yüksək məlumat ötürmə sürəti: 800G və 1.6T ötürücü-ötürücülərinin inkişafını sürətləndirmək; 100 GHz-dən çox bant genişliyinə malik fotodetektorlar tələb olunur.

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

Yeni materiallar: Ultra sürətli işıq aşkarlanması üçün ikiölçülü materialların (məsələn, qrafen) araşdırılması; Geniş dalğa uzunluğu əhatə dairəsi üçün yeni IV Qrup ərintisi.

Yeni tətbiqlər: LiDAR və digər sensor tətbiqləri APD-nin inkişafına təkan verir; Mikrodalğalı foton tətbiqləri yüksək xətti fotodetektorlar tələb edir.

Yüksək sürətli fotodetektorlar, xüsusən də Ge və ya Si fotodetektorları, silikon əsaslı optoelektronika və yeni nəsil optik rabitənin əsas hərəkətverici qüvvəsinə çevrilib. Materiallar, cihaz dizaynı və inteqrasiya texnologiyaları sahəsində davamlı irəliləyişlər gələcək məlumat mərkəzlərinin və telekommunikasiya şəbəkələrinin artan bant genişliyi tələblərini ödəmək üçün vacibdir. Sahə inkişaf etməyə davam etdikcə, daha yüksək bant genişliyi, daha aşağı səs-küy və elektron və fotonik dövrələrlə sorunsuz inteqrasiyaya malik fotodetektorlar görəcəyimizi gözləyə bilərik.