Per l'optoelettronica a base di silicio, fotodettori al silicio
PhotoDetectorConvertire i segnali di luce in segnali elettrici e poiché le velocità di trasferimento dei dati continuano a migliorare, fotodettori ad alta velocità integrati con piattaforme optoelettroniche a base di silicio sono diventati fondamentali per i data center di prossima generazione e le reti di telecomunicazioni. Questo articolo fornirà una panoramica dei fotodettori avanzati ad alta velocità, con enfasi sul germanio a base di silicio (PhotoDetector GE o SI)fotodettori di silicioper la tecnologia optoelettronica integrata.
Il germanio è un materiale attraente per il rilevamento della luce a infrarossi su piattaforme di silicio perché è compatibile con i processi CMOS e ha un assorbimento estremamente forte alle lunghezze d'onda di telecomunicazione. La struttura del fotodittore GE/Si più comune è il diodo PIN, in cui il germanio intrinseco è inserito tra le regioni di tipo P e N-Type.
Struttura del dispositivo La Figura 1 mostra un tipico pin verticale GE oPhotoDetector SIstruttura:
Le caratteristiche principali includono: strato di assorbimento di germanio cresciuto sul substrato di silicio; Utilizzato per raccogliere contatti P e N dei vettori di carica; Accoppiamento della guida d'onda per un efficiente assorbimento della luce.
Crescita epitassiale: la coltivazione di germanio di alta qualità sul silicio è impegnativo a causa della mancata corrispondenza reticolare del 4,2% tra i due materiali. Viene generalmente utilizzato un processo di crescita in due fasi: a bassa temperatura (300-400 ° C) di crescita dello strato tampone e ad alta temperatura (sopra i 600 ° C) deposizione di germanio. Questo metodo aiuta a controllare le lussazioni del threading causate da disallineamenti reticolari. La ricottura post-crescita a 800-900 ° C riduce ulteriormente la densità di dislocazione del threading a circa 10^7 cm^-2. Caratteristiche delle prestazioni: il fotodettore PIN GE /Si più avanzato può raggiungere: reattività,> 0,8a /W a 1550 nm; Larghezza di banda,> 60 GHz; Corrente scura, <1 μA a -1 V bias.
Integrazione con piattaforme optoelettroniche a base di silicio
L'integrazione diPhotoDetector ad alta velocitàCon piattaforme optoelettroniche a base di silicio consente ricetrasmettitori ottici e interconnessioni avanzate. I due principali metodi di integrazione sono i seguenti: Integrazione front-end (FEOL), in cui il fotodettore e il transistor sono realizzati simultaneamente su un substrato di silicio che consente l'elaborazione ad alta temperatura, ma occupando l'area del chip. Integrazione back-end (BEOL). I fototetettori sono fabbricati sopra il metallo per evitare interferenze con CMOS, ma sono limitati a temperature di lavorazione più basse.
Figura 2: reattività e larghezza di banda di un fotoDetector GE/SI ad alta velocità
Applicazione del data center
I fotodettori ad alta velocità sono un componente chiave nella prossima generazione di interconnessione del data center. Le principali applicazioni includono: ricetrasmettitori ottici: 100G, 400G e tassi più alti, utilizzando la modulazione PAM-4; UNPhotoDetector 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 calcolo, archiviazione e memoria distribuiti; Guidare la domanda di fotodettori ad alta efficienza energetica e ad alta larghezza di banda.
Prospettive future
Il futuro dei fotodettori ad alta velocità optoelettronici integrati mostreranno le seguenti tendenze:
Velocità di dati più elevati: guidare lo sviluppo di ricetrasmettitori da 800 g e 1,6T; Sono richiesti fotodettori con larghezza di banda superiori a 100 GHz.
Integrazione migliorata: integrazione a singolo chip di materiale III-V e silicio; Tecnologia di integrazione 3D avanzata.
Nuovi materiali: esplorare i materiali bidimensionali (come il grafene) per il rilevamento della luce ultraveloce; Una nuova lega del Gruppo IV per la copertura della lunghezza d'onda estesa.
Applicazioni emergenti: LIDAR e altre applicazioni di rilevamento stanno guidando lo sviluppo di APD; Applicazioni di fotoni a microonde che richiedono fotodettori ad alta linearità.
I fotodettori ad alta velocità, in particolare fotodettori GE o SI, sono diventati un fattore chiave di optoelettronica a base di silicio e comunicazioni ottiche di prossima generazione. I continui progressi nei materiali, nella progettazione dei dispositivi e nelle tecnologie di integrazione sono importanti per soddisfare le crescenti esigenze di larghezza di banda dei futuri data center e reti di telecomunicazioni. Man mano che il campo continua a evolversi, possiamo aspettarci di vedere fotodettori con larghezza di banda più elevata, rumore inferiore e integrazione senza soluzione di continuità con circuiti elettronici e fotonici.
Tempo post: gennaio-20-2025