Piipohjaiseen optoelektroniikkaan, piikuoteisiin (SI-valodetektori)

Piipohjaiseen optoelektroniikkaan, piikolodeektorit

FotodeektoritMuunna valonsignaalit sähköisiksi signaaleiksi, ja kun tiedonsiirtonopeudet paranevat edelleen, piipohjaisiin optoelektroniikkaalustoihin integroidut nopeat valodeektorit ovat tulleet avain seuraavan sukupolven tietokeskuksiin ja televiestintäverkoihin. Tämä artikkeli tarjoaa yleiskuvan edistyneistä nopeasta valodetektoreista painottaen piipohjaista germaniumia (GE tai SI Photodetector)piikolodeektoritintegroidun optoelektroniikan tekniikkaa varten.

Germanium on houkutteleva materiaali lähes infrapunavalon havaitsemiseen pii -alustoilla, koska se on yhteensopiva CMOS -prosessien kanssa ja sillä on erittäin vahva imeytyminen televiestintäaaltojenpituuksilla. Yleisin GE/SI-valokuvausrakenne on PIN-diodi, jossa luontainen germanium on kerrostettu P-tyypin ja N-tyypin alueiden väliin.

Laitteen rakenne Kuvio 1 näyttää tyypillisen pystysuoran nastan GE taiSI -valodetektorirakenne:

Pääominaisuuksiin kuuluvat: germanium -absorboiva kerros, joka on kasvatettu piisubstraatilla; Käytetään keräämään P- ja N -kontakteja latauskantajien; Aaltojohtokytkentä tehokkaan valon imeytymiseksi.

Epitaksiaalinen kasvu: Kasvava korkealaatuinen germanium pii on haastava kahden materiaalin välisen 4,2%: n hila -epäsuhta. Kaksivaiheista kasvuprosessia käytetään yleensä: matala lämpötila (300-400 ° C) puskurikerroksen kasvu ja korkea lämpötila (yli 600 ° C) saostuminen germaniumista. Tämä menetelmä auttaa hallitsemaan hilan epäsuhteiden aiheuttamia kierteitä. Kasvojen jälkeinen hehkutus 800-900 ° C: ssa vähentää edelleen kierteisen dislokaation tiheyttä noin 10^7 cm^-2: een. Suorituskykyominaisuudet: Edistyneimmät GE /Si PIN -Photodetector voi saavuttaa: reagoivuus,> 0,8A /W 1550 nm; Kaistanleveys,> 60 GHz; Tummavirta, <1 μa -1 V: n bias.

Integraatio piihohjaisiin optoelektroniikkaalustoihin

IntegrointisuurnopeusvalotektoritPiipohjaisilla optoelektroniikkaalustoilla mahdollistaa edistyneet optiset lähetinvastaanottimet ja yhteydet. Kaksi tärkeintä integraatiomenetelmää ovat seuraavat: Front-end-integrointi (FEOL), jossa valodetektori ja transistori valmistetaan samanaikaisesti piisubstraatilla, joka mahdollistaa korkean lämpötilan käsittelyn, mutta ottaa sirun alueen. Back-end-integraatio (BEOL). Valodeektorit valmistetaan metallin päällä CMO: n häiriöiden välttämiseksi, mutta ne rajoittuvat alhaisempiin prosessointilämpötiloihin.

Kuva 2: Nopean GE/SI-valonsuojauksen reagointikyky ja kaistanleveys

Datakeskuksen sovellus

Nopeat valodeektorit ovat avainkomponentti seuraavan sukupolven datakeskuksen yhdistämisessä. Pääsovelluksia ovat: Optiset lähetinvastaanottimet: 100 g, 400 g ja korkeammat hinnat käyttämällä PAM-4-modulaatiota; EräsKorkea kaistanleveys Photodetector(> 50 GHz) vaaditaan.

Piipohjainen optoelektroninen integroitu piiri: detektorin monoliittinen integraatio modulaattorin ja muiden komponenttien kanssa; Kompakti, korkean suorituskyvyn optinen moottori.

Hajautettu arkkitehtuuri: Optinen yhteydenpito hajautetun laskennan, tallennuksen ja tallennustilan välillä; Aiota energiatehokkaiden, kaistanleveyden valodetektorien kysyntää.

Tulevaisuudennäkymät

Integroitujen optoelektronisten nopeat valodetektorien tulevaisuus näyttää seuraavat suuntaukset:

Korkeammat tiedonsiirtonopeudet: 800G- ja 1,6T -lähetin -vastaanottimien kehittäminen; Valodeektorit, joiden kaistanleveys on yli 100 GHz, vaaditaan.

Parannettu integraatio: III-V-materiaalin ja piin yksi siru-integraatio; Edistynyt 3D -integraatiotekniikka.

Uudet materiaalit: Kaksiulotteisten materiaalien (kuten grafeenin) tutkiminen ultrapäisen valon havaitsemiseksi; Uusi ryhmä IV -seos pidennetyn aallonpituuden peittämiseen.

Kehittyvät sovellukset: Lidar ja muut anturin sovellukset ohjaavat APD: n kehitystä; Mikroaaltouuni fotonisovellukset, jotka vaativat korkeaa lineaarista valodetektoria.

Nopeat valodetektoreista, erityisesti GE- tai SI-valodetektorista, on tullut piipohjaisen optoelektroniikan ja seuraavan sukupolven optisen viestinnän avaintekijä. Materiaalien, laitteiden suunnittelun ja integraatiotekniikan jatkuvat edistysaskeleet ovat tärkeitä vastaamaan tulevien tietokeskusten ja televerkkojen kasvavien kaistanleveyden vaatimuksia. Kentän kehittyessä voimme odottaa näkevänsä fotodeektorit, joilla on korkeampi kaistanleveys, pienempi melu ja saumattomat integraatiot elektronisiin ja fotonisiin piireihin.