Per a optoelectrònica basada en silici, fotodetectors de silici
Fotodetectorsconvertir els senyals de llum en senyals elèctrics i, a mesura que les taxes de transferència de dades continuen millorant, els fotodetectors d'alta velocitat integrats amb plataformes optoelectròniques basades en silici s'han convertit en clau per als centres de dades i les xarxes de telecomunicacions de nova generació. Aquest article proporcionarà una visió general dels fotodetectors d'alta velocitat avançats, amb èmfasi en el fotodetector de germani basat en silici (Ge o Si)fotodetectors de siliciper a la tecnologia d'optoelectrònica integrada.
El germani és un material atractiu per a la detecció de llum infraroja propera en plataformes de silici perquè és compatible amb els processos CMOS i té una absorció extremadament forta a longituds d'ona de telecomunicació. L'estructura de fotodetector Ge/Si més comuna és el díode pin, en què el germani intrínsec està intercalat entre les regions de tipus P i de tipus N.
Estructura del dispositiu La figura 1 mostra un pin vertical típic de Ge ofotodetector de siliciestructura:
Les principals característiques inclouen: capa absorbent de germani que creix sobre substrat de silici; s'utilitza per recollir els contactes p i n dels portadors de càrrega; acoblament de guia d'ones per a una absorció eficient de la llum.
Creixement epitaxial: El creixement de germani d'alta qualitat sobre silici és un repte a causa del desajustament de xarxa del 4,2% entre els dos materials. Normalment s'utilitza un procés de creixement de dos passos: creixement de la capa tampó a baixa temperatura (300-400 °C) i deposició de germani a alta temperatura (per sobre de 600 °C). Aquest mètode ajuda a controlar les dislocacions de roscatge causades per desajustaments de xarxa. El recuit posterior al creixement a 800-900 °C redueix encara més la densitat de dislocacions de roscatge a uns 10^7 cm^-2. Característiques de rendiment: El fotodetector PIN de Ge/Si més avançat pot aconseguir: capacitat de resposta, > 0,8 A/W a 1550 nm; amplada de banda, >60 GHz; corrent de fosc, <1 μA a una polarització de -1 V.
Integració amb plataformes optoelectròniques basades en silici
La integració defotodetectors d'alta velocitatamb plataformes d'optoelectrònica basades en silici permet transceptors i interconnexions òptiques avançades. Els dos mètodes d'integració principals són els següents: Integració frontal (FEOL), on el fotodetector i el transistor es fabriquen simultàniament sobre un substrat de silici que permet el processament a alta temperatura, però ocupant àrea del xip. Integració posterior (BEOL). Els fotodetectors es fabriquen a la part superior del metall per evitar interferències amb el CMOS, però estan limitats a temperatures de processament més baixes.
Figura 2: Responsivitat i amplada de banda d'un fotodetector de Ge/Si d'alta velocitat
Aplicació de centre de dades
Els fotodetectors d'alta velocitat són un component clau en la propera generació d'interconnexió de centres de dades. Les principals aplicacions inclouen: transceptors òptics: 100G, 400G i velocitats superiors, utilitzant la modulació PAM-4; Afotodetector d'alta amplada de banda(>50 GHz).
Circuit integrat optoelectrònic basat en silici: integració monolítica del detector amb el modulador i altres components; Un motor òptic compacte i d'alt rendiment.
Arquitectura distribuïda: interconnexió òptica entre computació distribuïda, emmagatzematge i emmagatzematge; Impulsant la demanda de fotodetectors d'alta amplada de banda i baix consum energètic.
Perspectives de futur
El futur dels fotodetectors optoelectrònics integrats d'alta velocitat mostrarà les següents tendències:
Taxes de dades més elevades: impulsant el desenvolupament de transceptors de 800G i 1.6T; es requereixen fotodetectors amb amplades de banda superiors a 100 GHz.
Integració millorada: integració d'un sol xip de material III-V i silici; tecnologia avançada d'integració 3D.
Nous materials: Exploració de materials bidimensionals (com el grafè) per a la detecció ultraràpida de llum; Un nou aliatge del Grup IV per a una cobertura de longitud d'ona estesa.
Aplicacions emergents: el LiDAR i altres aplicacions de detecció estan impulsant el desenvolupament de l'APD; aplicacions de fotons de microones que requereixen fotodetectors d'alta linealitat.
Els fotodetectors d'alta velocitat, especialment els fotodetectors de Ge o Si, s'han convertit en un motor clau de l'optoelectrònica basada en silici i de les comunicacions òptiques de nova generació. Els avenços continus en materials, disseny de dispositius i tecnologies d'integració són importants per satisfer les creixents demandes d'ample de banda dels futurs centres de dades i xarxes de telecomunicacions. A mesura que el camp continua evolucionant, podem esperar veure fotodetectors amb un ample de banda més alt, menys soroll i una integració perfecta amb circuits electrònics i fotònics.
Data de publicació: 20 de gener de 2025