Per l'optoelettronica a base di silicio, fotodetector al silicio
FotorilevatoriConvertire i segnali luminosi in segnali elettrici e, con il continuo miglioramento della velocità di trasferimento dati, i fotorilevatori ad alta velocità integrati con piattaforme optoelettroniche basate sul silicio sono diventati fondamentali per i data center e le reti di telecomunicazione di nuova generazione. Questo articolo fornirà una panoramica dei fotorilevatori ad alta velocità avanzati, con particolare attenzione al germanio basato sul silicio (fotorilevatore Ge o Si).fotodetector al silicioper la tecnologia optoelettronica integrata.
Il germanio è un materiale interessante per la rilevazione della luce nel vicino infrarosso su piattaforme al silicio perché è compatibile con i processi CMOS e presenta un assorbimento estremamente elevato alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. La struttura fotoelettrica Ge/Si più comune è il diodo pin, in cui il germanio intrinseco è inserito tra le regioni di tipo P e di tipo N.
Struttura del dispositivo La figura 1 mostra un tipico pin verticale Ge oFotorilevatore al siliciostruttura:
Le caratteristiche principali includono: strato assorbente in germanio cresciuto su substrato di silicio; utilizzato per raccogliere i contatti p e n dei portatori di carica; accoppiamento della guida d'onda per un assorbimento efficiente della luce.
Crescita epitassiale: la crescita di germanio di alta qualità su silicio è complessa a causa del disadattamento reticolare del 4,2% tra i due materiali. Solitamente viene utilizzato un processo di crescita in due fasi: crescita dello strato tampone a bassa temperatura (300-400 °C) e deposizione di germanio ad alta temperatura (oltre 600 °C). Questo metodo aiuta a controllare le dislocazioni filettate causate da disadattamenti reticolari. La ricottura post-crescita a 800-900 °C riduce ulteriormente la densità delle dislocazioni filettate a circa 10^7 cm^-2. Caratteristiche prestazionali: il fotorilevatore PIN Ge/Si più avanzato può raggiungere: reattività, > 0,8 A/W a 1550 nm; larghezza di banda, > 60 GHz; corrente di buio, < 1 μA a -1 V di polarizzazione.
Integrazione con piattaforme optoelettroniche basate sul silicio
L'integrazione difotodetector ad alta velocitàLe piattaforme optoelettroniche basate sul silicio consentono la realizzazione di transceiver e interconnessioni ottiche avanzate. I due principali metodi di integrazione sono i seguenti: Integrazione front-end (FEOL), in cui il fotorilevatore e il transistor vengono realizzati simultaneamente su un substrato di silicio, consentendo la lavorazione ad alta temperatura, ma occupando spazio sul chip. Integrazione back-end (BEOL). I fotorilevatori vengono realizzati sulla superficie metallica per evitare interferenze con il CMOS, ma sono limitati a temperature di lavorazione inferiori.
Figura 2: Reattività e larghezza di banda di un fotodiodo Ge/Si ad alta velocità
Applicazione del data center
I fotorilevatori ad alta velocità sono un componente chiave nella prossima generazione di interconnessioni per data center. Le principali applicazioni includono: transceiver ottici: velocità 100G, 400G e superiori, con modulazione PAM-4;fotodiodo ad alta larghezza di banda(>50 GHz) è richiesto.
Circuito integrato optoelettronico a base di silicio: integrazione monolitica del rivelatore con modulatore e altri componenti; un motore ottico compatto e ad alte prestazioni.
Architettura distribuita: interconnessione ottica tra elaborazione distribuita, storage e archiviazione; stimola la domanda di fotodetector ad alta larghezza di banda e a basso consumo energetico.
Prospettive future
Il futuro dei fotodetector optoelettronici integrati ad alta velocità mostrerà le seguenti tendenze:
Velocità di trasmissione dati più elevate: guida allo sviluppo di ricetrasmettitori da 800G e 1,6T; sono necessari fotodetector con larghezze di banda superiori a 100 GHz.
Integrazione migliorata: integrazione in un singolo chip di materiale III-V e silicio; tecnologia di integrazione 3D avanzata.
Nuovi materiali: esplorazione di materiali bidimensionali (come il grafene) per la rilevazione ultraveloce della luce; una nuova lega del Gruppo IV per una copertura estesa della lunghezza d'onda.
Applicazioni emergenti: LiDAR e altre applicazioni di rilevamento stanno guidando lo sviluppo di APD; applicazioni di fotoni a microonde che richiedono fotodetector ad alta linearità.
I fotorivelatori ad alta velocità, in particolare quelli in Ge o Si, sono diventati un fattore chiave per l'optoelettronica basata sul silicio e le comunicazioni ottiche di nuova generazione. I continui progressi nei materiali, nella progettazione dei dispositivi e nelle tecnologie di integrazione sono fondamentali per soddisfare la crescente domanda di larghezza di banda dei futuri data center e delle reti di telecomunicazioni. Con la continua evoluzione del settore, possiamo aspettarci di vedere fotorivelatori con maggiore larghezza di banda, rumore inferiore e perfetta integrazione con circuiti elettronici e fotonici.
Data di pubblicazione: 20-01-2025