Per a l’optoelectrònica basada en silici, fotodetectors de silici
FotodetectorsConverteix 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 d’optoelectrònica basades en silici s’han convertit en clau per als centres de dades de nova generació i les xarxes de telecomunicacions. Aquest article proporcionarà una visió general dels fotodetectors avançats d'alta velocitat, amb èmfasi en el germani basat en silici (fotodetector GE o SI)Fotodetectors de siliciper a la tecnologia d’optoelectrònica integrada.
Germanium és un material atractiu per a la detecció de llum infraroja a les plataformes de silici, ja que és compatible amb els processos CMOS i té una absorció extremadament forta a les longituds d'ona de telecomunicacions. L’estructura fotodetector GE/SI més comuna és el díode PIN, en el qual el germani intrínsec s’entreté entre les regions de tipus P i N tipus N.
Estructura del dispositiu La figura 1 mostra un pin vertical típic oFotodetector SiEstructura:
Les principals característiques són: capa d’absorció de germani cultivada en substrat de silici; S'utilitza per recollir contactes P i N dels portadors de càrrega; Acoblament de guies d'ona per a una absorció de llum eficient.
Creixement epitaxial: el creixent germani d’alta qualitat sobre silici és difícil a causa del desajust del 4,2% de gelosia entre els dos materials. Sol utilitzar un procés de creixement en dos passos: creixement de la capa tampó de temperatura baixa (300-400 ° C) i alta temperatura (per sobre dels 600 ° C) de deposició de germani. Aquest mètode ajuda a controlar les luxacions de roscat causades per desajustos de gelosia. El recompte post-creixement a 800-900 ° C redueix encara més la densitat de luxació de roscat a uns 10^7 cm^-2. Característiques de rendiment: el fotodetector de pin més avançat GE /SI pot aconseguir: resposta,> 0,8a /w a 1550 nm; Ample de banda,> 60 GHz; Corrent fosc, <1 μA a -1 V biaix.
Integració amb plataformes d’optoelectrònica basades en silici
La integració defotodetectors d'alta velocitatAmb plataformes d’optoelectrònica basades en silici permet transceivers i interconnexions òptiques avançades. Els dos mètodes d’integració principals són els següents: la integració frontal (FEOL), on el fotodetector i el transistor es fabriquen simultàniament en un substrat de silici que permet processar-se a alta temperatura, però adoptar l’àrea de xip. Integració de fons (BEOL). Els fotodetectors es fabriquen a la part superior del metall per evitar interferències amb CMOS, però es limiten a les temperatures més baixes de processament.
Figura 2: Responsivitat i amplada de banda d’un fotodetector GE/SI d’alta velocitat
Aplicació del centre de dades
Els fotodetectors d’alta velocitat són un component clau en la propera generació d’interconnexió del centre de dades. Les aplicacions principals inclouen: transceors òptics: 100g, 400g i tarifes superiors, mitjançant la modulació PAM-4; Unafotodetector de gran amplada de banda(> 50 GHz) és necessari.
Circuit integrat optoelectrònic basat en silici: integració monolítica del detector amb modulador i altres components; Un motor òptic compacte i d’alt rendiment.
Arquitectura distribuïda: interconnexió òptica entre informàtica distribuïda, emmagatzematge i emmagatzematge; Impulsant la demanda de fotodetectors de gran amplada de banda eficient energèticament.
Perspectives futures
El futur dels fotodetectors optoelectrònics integrats de l’alta velocitat mostrarà les tendències següents:
Taxes de dades més elevades: impulsar el desenvolupament de transceptors 800G i 1,6T; Es requereixen fotodetectors amb amplades de banda superiors a 100 GHz.
Integració millorada: Integració de xip únic de material III-V i silici; Tecnologia avançada d’integració 3D.
Nous materials: explorar materials bidimensionals (com el grafè) per a la detecció de llum ultrafast; Un nou aliatge del grup IV per a la cobertura de longitud d'ona estesa.
Aplicacions emergents: LiDAR i altres aplicacions de detecció impulsen el desenvolupament de l’APD; Aplicacions de fotons de microones que requereixen fotodetectors d’alta linealitat.
Els fotodetectors d’alta velocitat, especialment els fotodetectors GE o SI, s’han convertit en un motor clau de l’optoelectrònica basada en silici i les comunicacions òptiques de propera generació. Els avenços continuats 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 amplada de banda més alta, soroll inferior i integració perfecta amb circuits electrònics i fotònics.
Posat: 20 de gener de 2025