Für die Silizium-basierte Optoelektronik, Silizium-Fotodetektoren
FotodetektorenSie wandeln Lichtsignale in elektrische Signale um. Da sich die Datenübertragungsraten stetig verbessern, sind Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, die in optoelektronische Plattformen auf Siliziumbasis integriert sind, für Rechenzentren und Telekommunikationsnetze der nächsten Generation von entscheidender Bedeutung. Dieser Artikel bietet einen Überblick über fortschrittliche Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, insbesondere auf Germanium auf Siliziumbasis (Ge- oder Si-Fotodetektoren).Silizium-Fotodetektorenfür integrierte Optoelektronik-Technologie.
Germanium ist ein attraktives Material für die Nahinfrarot-Lichtdetektion auf Siliziumplattformen, da es mit CMOS-Prozessen kompatibel ist und bei Telekommunikationswellenlängen eine extrem starke Absorption aufweist. Die gängigste Ge/Si-Fotodetektorstruktur ist die Pin-Diode, bei der das intrinsische Germanium zwischen den p- und n-Typ-Bereichen liegt.
Gerätestruktur Abbildung 1 zeigt einen typischen vertikalen Stift Ge oderSi-FotodetektorStruktur:
Zu den Hauptmerkmalen gehören: Auf einem Siliziumsubstrat gewachsene Germanium-Absorptionsschicht; Wird zum Sammeln von p- und n-Kontakten von Ladungsträgern verwendet; Wellenleiterkopplung für effiziente Lichtabsorption.
Epitaktisches Wachstum: Das Wachstum von hochwertigem Germanium auf Silizium ist aufgrund der 4,2 %igen Gitterfehlanpassung zwischen den beiden Materialien eine Herausforderung. Üblicherweise wird ein zweistufiger Wachstumsprozess angewendet: Pufferschichtwachstum bei niedrigen Temperaturen (300–400 °C) und Germaniumabscheidung bei hohen Temperaturen (über 600 °C). Diese Methode hilft, durch Gitterfehlanpassungen verursachte Durchstoßversetzungen zu kontrollieren. Nachträgliches Tempern bei 800–900 °C reduziert die Durchstoßversetzungsdichte weiter auf etwa 10^7 cm^-2. Leistungsmerkmale: Der fortschrittlichste Ge/Si-PIN-Fotodetektor erreicht: Empfindlichkeit > 0,8 A/W bei 1550 nm; Bandbreite > 60 GHz; Dunkelstrom < 1 μA bei -1 V Vorspannung.
Integration mit siliziumbasierten Optoelektronik-Plattformen
Die Integration vonHochgeschwindigkeits-FotodetektorenMit siliziumbasierten Optoelektronik-Plattformen werden fortschrittliche optische Transceiver und Verbindungen ermöglicht. Die beiden wichtigsten Integrationsmethoden sind: Front-End-Integration (FEOL), bei der Fotodetektor und Transistor gleichzeitig auf einem Siliziumsubstrat gefertigt werden. Dies ermöglicht eine Verarbeitung bei hohen Temperaturen, beansprucht aber Chipfläche. Back-End-Integration (BEOL). Fotodetektoren werden auf Metall gefertigt, um Interferenzen mit CMOS zu vermeiden, sind aber auf niedrigere Verarbeitungstemperaturen beschränkt.
Abbildung 2: Reaktionsfähigkeit und Bandbreite eines Hochgeschwindigkeits-Ge/Si-Fotodetektors
Rechenzentrumsanwendung
Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren sind eine Schlüsselkomponente für die nächste Generation der Rechenzentrumsvernetzung. Zu den Hauptanwendungen gehören: optische Transceiver: 100G, 400G und höhere Datenraten mit PAM-4-Modulation; AFotodetektor mit hoher Bandbreite(>50 GHz) erforderlich.
Optoelektronischer integrierter Schaltkreis auf Siliziumbasis: monolithische Integration von Detektor mit Modulator und anderen Komponenten; eine kompakte optische Maschine mit hoher Leistung.
Verteilte Architektur: optische Verbindung zwischen verteilter Datenverarbeitung, Speicherung und Datenspeicherung; treibt die Nachfrage nach energieeffizienten Fotodetektoren mit hoher Bandbreite voran.
Zukunftsaussichten
Die Zukunft integrierter optoelektronischer Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren wird folgende Trends aufweisen:
Höhere Datenraten: Die Entwicklung von 800G- und 1,6T-Transceivern wird vorangetrieben; es werden Fotodetektoren mit Bandbreiten von über 100 GHz benötigt.
Verbesserte Integration: Einzelchip-Integration von III-V-Material und Silizium; fortschrittliche 3D-Integrationstechnologie.
Neue Materialien: Erforschung zweidimensionaler Materialien (wie Graphen) für die ultraschnelle Lichterkennung; eine neue Legierung der Gruppe IV für eine erweiterte Wellenlängenabdeckung.
Neue Anwendungen: LiDAR und andere Sensoranwendungen treiben die Entwicklung von APD voran; Mikrowellenphotonenanwendungen erfordern Fotodetektoren mit hoher Linearität.
Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren, insbesondere Ge- oder Si-Fotodetektoren, sind zu einem wichtigen Treiber der siliziumbasierten Optoelektronik und der optischen Kommunikation der nächsten Generation geworden. Kontinuierliche Fortschritte bei Materialien, Gerätedesign und Integrationstechnologien sind wichtig, um den wachsenden Bandbreitenbedarf zukünftiger Rechenzentren und Telekommunikationsnetze zu decken. Im Zuge der Weiterentwicklung dieses Bereichs sind Fotodetektoren mit höherer Bandbreite, geringerem Rauschen und nahtloser Integration in elektronische und photonische Schaltkreise zu erwarten.
Veröffentlichungszeit: 20. Januar 2025