Piipohjaiseen optoelektroniikkaan, piifotodetektorit (Si-fotodetektori)

Piipohjaiseen optoelektroniikkaan, piifotodetektorit

Valoilmaisimetmuuntavat valosignaaleja sähköisiksi signaaleiksi, ja tiedonsiirtonopeuksien jatkuvasti parantuessa piipohjaisiin optoelektroniikka-alustoihin integroiduista suurnopeusvaloilmaisimista on tullut avainasemassa seuraavan sukupolven datakeskuksissa ja tietoliikenneverkoissa. Tässä artikkelissa esitetään yleiskatsaus edistyneistä suurnopeusvaloilmaisimista, painottaen piipohjaista germaniumia (Ge- tai Si-valoilmaisin).piivalodetektoritintegroituun optoelektroniikkateknologiaan.

Germanium on houkutteleva materiaali lähi-infrapunavalon havaitsemiseen piialustoilla, koska se on yhteensopiva CMOS-prosessien kanssa ja sillä on erittäin voimakas absorptio tietoliikenteen aallonpituuksilla. Yleisin Ge/Si-fotodetektorirakenne on neuladiodi, jossa sisäinen germanium on P- ja N-tyypin alueiden välissä.

Laiterakenne Kuva 1 esittää tyypillisen pystysuuntaisen Ge-tapin.Si-fotodetektorirakenne:

Tärkeimpiä ominaisuuksia ovat: piisubstraatille kasvatettu germaniumia absorboiva kerros; Käytetään varauksenkuljettajien p- ja n-kontaktien keräämiseen; Aaltojohdinkytkentä tehokkaaseen valon absorptioon.

Epitaksiaalinen kasvatus: Korkealaatuisen germaniumin kasvattaminen piille on haastavaa materiaalien välisen 4,2 %:n hilaepäsuhtaisuuden vuoksi. Yleensä käytetään kaksivaiheista kasvatusprosessia: puskurikerroksen kasvua alhaisessa lämpötilassa (300–400 °C) ja germaniumin kerrostusta korkeassa lämpötilassa (yli 600 °C). Tämä menetelmä auttaa hallitsemaan hilaepäsuhtaumien aiheuttamia pujotusdislokaatioita. Kasvatuksen jälkeinen hehkutus 800–900 °C:ssa vähentää pujotusdislokaatiotiheyttä edelleen noin 10^7 cm^-2:een. Suorituskykyominaisuudet: Edistynein Ge/Si PIN -fotodetektori voi saavuttaa: vasteajan, > 0,8 A /W aallonpituudella 1550 nm; kaistanleveyden, > 60 GHz; pimeävirran, <1 μA -1 V esijännitteellä.

Integrointi piipohjaisiin optoelektroniikka-alustoihin

Integraationopeat fotodetektoritpiipohjaisten optoelektroniikka-alustojen avulla voidaan käyttää edistyneitä optisia lähetin-vastaanottimia ja yhteenliitäntöjä. Kaksi pääasiallista integrointimenetelmää ovat seuraavat: Etupään integrointi (FEOL), jossa fotodetektori ja transistori valmistetaan samanaikaisesti piisubstraatille, mikä mahdollistaa korkean lämpötilan prosessoinnin, mutta vie sirutilaa. Taustapään integrointi (BEOL). Fotodetektorit valmistetaan metallin päälle CMOS-häiriöiden välttämiseksi, mutta ne rajoittuvat alhaisempiin prosessointilämpötiloihin.

Kuva 2: Nopean Ge/Si-fotodetektorin herkkyys ja kaistanleveys

Datakeskussovellus

Nopeat valoilmaisimet ovat avainasemassa seuraavan sukupolven datakeskusten yhteenliitännöissä. Tärkeimpiä sovelluksia ovat: optiset lähetin-vastaanottimet: 100G, 400G ja suuremmat nopeudet, jotka käyttävät PAM-4-modulaatiota; Asuuren kaistanleveyden fotodetektori(>50 GHz) vaaditaan.

Piipohjainen optoelektroninen integroitu piiri: ilmaisimen monoliittinen integrointi modulaattorin ja muiden komponenttien kanssa; Kompakti, tehokas optinen moottori.

Hajautettu arkkitehtuuri: hajautetun laskennan, tallennustilan ja tallennustilan välinen optinen yhteenliitäntä; Energiatehokkaiden, suuren kaistanleveyden fotoilmaisimien kysynnän edistäminen.

Tulevaisuudennäkymät

Integroitujen optoelektronisten suurnopeusvalonilmaisimien tulevaisuus näyttää seuraavat trendit:

Suuremmat tiedonsiirtonopeudet: 800G- ja 1.6T-lähetin-vastaanottimien kehityksen edistäminen; Tarvitaan valoilmaisimia, joiden kaistanleveys on yli 100 GHz.

Parannettu integrointi: III-V-materiaalin ja piin yhden sirun integrointi; Edistynyt 3D-integrointitekniikka.

Uudet materiaalit: Kaksiulotteisten materiaalien (kuten grafeenin) tutkiminen ultranopeaa valon havaitsemista varten; Uusi ryhmän IV seos pidemmän aallonpituuden kattavuuteen.

Uudet sovellukset: LiDAR ja muut tunnistussovellukset vauhdittavat APD:n kehitystä; mikroaaltofotonisovellukset, jotka vaativat korkean lineaarisuuden omaavia fotodetektoreita.

Nopeat fotodetektorit, erityisesti Ge- tai Si-fotodetektorit, ovat tulleet piipohjaisen optoelektroniikan ja seuraavan sukupolven optisen viestinnän keskeiseksi ajuriksi. Materiaalien, laitesuunnittelun ja integrointiteknologioiden jatkuva kehitys on tärkeää tulevaisuuden datakeskusten ja televiestintäverkkojen kasvavien kaistanleveysvaatimusten täyttämiseksi. Alan kehittyessä voimme odottaa näkevämme fotodetektoreita, joilla on suurempi kaistanleveys, alhaisempi kohina ja jotka integroituvat saumattomaan integrointiin elektronisiin ja fotonisiin piireihin.