Per l'optoelettronica basata sul silicio, i fotorivelatori al silicio
FotorilevatoriI fotorivelatori ad alta velocità convertono i segnali luminosi in segnali elettrici e, con il continuo miglioramento delle velocità di trasferimento dati, sono diventati fondamentali per i data center e le reti di telecomunicazione di nuova generazione. Questo articolo fornirà una panoramica dei fotorivelatori ad alta velocità avanzati, con particolare attenzione ai fotorivelatori al germanio (Ge o Si) basati sul silicio.fotorivelatori al silicioper la tecnologia optoelettronica integrata.
Il germanio è un materiale interessante per il rilevamento della luce nel vicino infrarosso su piattaforme di silicio perché è compatibile con i processi CMOS e presenta un assorbimento estremamente forte alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. La struttura più comune dei fotorivelatori Ge/Si è il diodo PIN, in cui il germanio intrinseco è interposto tra le regioni di tipo P e di tipo N.
Struttura del dispositivo La Figura 1 mostra un tipico pin verticale Ge oFotorivelatore al siliciostruttura:
Le caratteristiche principali includono: strato assorbente di germanio cresciuto su substrato di silicio; utilizzato per raccogliere i contatti p e n dei portatori di carica; accoppiamento a guida d'onda per un efficiente assorbimento della luce.
Crescita epitassiale: la crescita di germanio di alta qualità su silicio è impegnativa a causa del disallineamento reticolare del 4,2% tra i due materiali. Solitamente si utilizza un processo di crescita a due fasi: crescita di uno strato tampone a bassa temperatura (300-400 °C) e deposizione di germanio ad alta temperatura (superiore a 600 °C). Questo metodo aiuta a controllare le dislocazioni a filettatura causate dal disallineamento reticolare. La ricottura post-crescita a 800-900 °C riduce ulteriormente la densità di dislocazioni a filettatura a circa 10^7 cm^-2. Caratteristiche prestazionali: il fotorivelatore PIN Ge/Si più avanzato può raggiungere: responsività, > 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 difotorivelatori ad alta velocitàLe piattaforme optoelettroniche a base di silicio consentono la realizzazione di ricetrasmettitori e interconnessioni ottiche avanzate. I due principali metodi di integrazione sono i seguenti: integrazione front-end (FEOL), in cui il fotorivelatore e il transistor vengono fabbricati simultaneamente su un substrato di silicio, consentendo la lavorazione ad alta temperatura, ma occupando parte dell'area del chip. Integrazione back-end (BEOL). I fotorivelatori vengono fabbricati sopra il metallo per evitare interferenze con la tecnologia CMOS, ma sono limitati a temperature di lavorazione inferiori.
Figura 2: Reattività e larghezza di banda di un fotorivelatore Ge/Si ad alta velocità
Applicazione per data center
I fotorivelatori ad alta velocità sono un componente chiave nella prossima generazione di interconnessioni dei data center. Le principali applicazioni includono: ricetrasmettitori ottici: velocità di 100G, 400G e superiori, utilizzando la modulazione PAM-4; Afotorivelatore ad alta larghezza di bandaè richiesto (>50 GHz).
Circuito integrato optoelettronico a base di silicio: integrazione monolitica del rivelatore con il modulatore e altri componenti; un motore ottico compatto e ad alte prestazioni.
Architettura distribuita: interconnessione ottica tra elaborazione distribuita, archiviazione e storage; un fattore che stimola la domanda di fotorivelatori ad alta larghezza di banda e ad alta efficienza energetica.
Prospettive future
Il futuro dei fotorivelatori optoelettronici integrati ad alta velocità mostrerà le seguenti tendenze:
Velocità di trasmissione dati più elevate: ciò stimola lo sviluppo di ricetrasmettitori 800G e 1.6T; sono necessari fotorivelatori con larghezze di banda superiori a 100 GHz.
Integrazione migliorata: Integrazione su un singolo chip di materiale III-V e silicio; Tecnologia di integrazione 3D avanzata.
Nuovi materiali: esplorazione di materiali bidimensionali (come il grafene) per il rilevamento ultraveloce della luce; una nuova lega del Gruppo IV per una copertura estesa delle lunghezze d'onda.
Applicazioni emergenti: LiDAR e altre applicazioni di rilevamento stanno guidando lo sviluppo di APD; applicazioni di fotoni a microonde che richiedono fotorivelatori ad alta linearità.
I fotorivelatori ad alta velocità, in particolare quelli al germanio (Ge) o al silicio (Si), sono diventati un elemento chiave dell'optoelettronica basata sul silicio e delle comunicazioni ottiche di prossima generazione. I continui progressi nei materiali, nella progettazione dei dispositivi e nelle tecnologie di integrazione sono fondamentali per soddisfare le crescenti esigenze di larghezza di banda dei futuri data center e delle reti di telecomunicazione. Con l'evoluzione del settore, possiamo aspettarci fotorivelatori con larghezza di banda maggiore, rumore inferiore e perfetta integrazione con i circuiti elettronici e fotonici.
Data di pubblicazione: 20 gennaio 2025