Für Optoelektronik auf Siliziumbasis, Siliziumphotodetektoren
FotodetektorenUmwandle Lichtsignale in elektrische Signale, und da die Datenübertragungsraten weiter verbessert, sind Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, die in Siliziumbasis-basierte Optoelektronikplattformen integriert sind, zu entscheidender Bedeutung zu Rechenzentren und Telekommunikationsnetzwerken der nächsten Generation. Dieser Artikel bietet einen Überblick über fortgeschrittene Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren mit Schwerpunkt auf dem in Silizium basierenden Germanium (GE- oder SI-Fotodetektor)SiliziumphotodetektorenFür integrierte Optoelektronik -Technologie.
Germanium ist ein attraktives Material für die Erkennung von Infrarotlicht auf Siliziumplattformen, da es mit CMOS -Prozessen kompatibel ist und bei Telekommunikationswellenlängen eine äußerst starke Absorption aufweist. Die häufigste GE/Si-Fotodetektorstruktur ist die Pin-Diode, in der das intrinsische Germanium zwischen den Regionen vom P-Typ und N-Typ eingeklemmt ist.
Gerätestruktur Abbildung 1 zeigt einen typischen vertikalen Stift GE oderSI -FotodetektorStruktur:
Die Hauptmerkmale sind: Germaniumabsorbierende Schicht, die auf Siliziumsubstrat angebaut wurde; Wird verwendet, um P- und N -Kontakte von Ladungsträgern zu sammeln; Wellenleiterkopplung für eine effiziente Lichtabsorption.
Epitaxialwachstum: Das Wachstum von hochwertigem Germanium auf Silizium ist aufgrund der 4,2% igen Gitterfehlanpassung zwischen den beiden Materialien eine Herausforderung. In der Regel wird ein zweistufiger Wachstumsprozess verwendet: Niedertemperatur (300-400 ° C) Pufferschichtwachstum und hohe Temperatur (über 600 ° C) Abscheidung von Germanium. Diese Methode hilft, Fadenverletzungen zu kontrollieren, die durch Nichtübereinstimmung von Gitterfehlanpassungen verursacht werden. Nach dem Wachstum bei 800-900 ° C wird die Gewindeverlustdichte auf etwa 10^7 cm^-2 weiter reduziert. Leistungsmerkmale: Der fortschrittlichste GE /Si -Pin -Fotodetektor kann erreichen: Reaktionsfähigkeit,> 0,8a /w bei 1550 nm; Bandbreite,> 60 GHz; Dunkler Strom, <1 μA bei -1 V -Verzerrung.
Integration mit auf Siliziumbasis basierenden Optoelektronikplattformen
Die Integration vonHochgeschwindigkeits-FotodetektorenMit Silicon-basierten Optoelektronikplattformen ermöglicht erweiterte optische Transceiver und Verbindungen. Die beiden Hauptintegrationsmethoden sind wie folgt: Front-End-Integration (FEOL), wobei der Fotodetektor und der Transistor gleichzeitig auf einem Silizium-Substrat hergestellt werden, das eine Hochtemperaturverarbeitung ermöglicht, aber den Chipbereich aufnimmt. Back-End-Integration (BEOL). Fotodetektoren werden oben auf dem Metall hergestellt, um Störungen mit CMOs zu vermeiden, sind jedoch auf niedrigere Verarbeitungstemperaturen begrenzt.
Abbildung 2: Reaktionsfähigkeit und Bandbreite eines Hochgeschwindigkeits-GE/Si-Fotodetektors
Anwendung des Rechenzentrums
Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren sind eine Schlüsselkomponente in der nächsten Generation der Zusammenschaltung der Rechenzentren. Hauptanwendungen umfassen: Optische Transceiver: 100 g, 400 g und höhere Raten unter Verwendung der PAM-4-Modulation; AHochbandbreite Fotodetektor(> 50 GHz) ist erforderlich.
Integrierte integrierte Schaltung auf Siliziumbasis: Monolithische Integration des Detektors mit Modulator und anderen Komponenten; Ein kompakter optischer Hochleistungsmotor.
Verteilte Architektur: Optische Verbindung zwischen verteiltem Computer, Speicher und Speicher; Die Nachfrage nach energieeffizienten Photodetektoren mit hoher Bandbreite vorantreiben.
Zukünftige Aussichten
Die Zukunft integrierter optoelektronischer Hochgeschwindigkeitsfotodetektoren wird die folgenden Trends zeigen:
Höhere Datenraten: Förderung der Entwicklung von 800G- und 1,6 -t -Transceiver; Fotodetektoren mit Bandbreiten von mehr als 100 GHz sind erforderlich.
Verbesserte Integration: Einzelchip-Integration von III-V-Material und Silizium; Fortgeschrittene 3D -Integrationstechnologie.
Neue Materialien: Erkundung von zweidimensionalen Materialien (wie Graphen) zur ultraschnellen Lichtdetektion; Eine neue Legierung der Gruppe IV für eine erweiterte Wellenlängenabdeckung.
ENTRIGE ANWENDUNGEN: Lidar und andere Erfassungsanwendungen treiben die Entwicklung von APD vor. Mikrowellen -Photonenanwendungen, die Photodetektoren mit hoher Linearität erfordern.
Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, insbesondere GE- oder SI-Fotodetektoren, sind zu einem wichtigen Treiber für die optische Kommunikation auf Siliziumbasis geworden. Weitere Fortschritte in Materialien, Gerätedesign und Integrationstechnologien sind wichtig, um die wachsenden Bandbreitenanforderungen künftiger Rechenzentren und Telekommunikationsnetzwerke gerecht zu werden. Während sich das Feld weiterentwickelt, können wir erwarten, dass Fotodetektoren mit höherer Bandbreite, niedrigerem Rauschen und nahtloser Integration in elektronische und photonische Schaltkreise sehen.
Postzeit: Januar-2025