Für siliziumbasierte Optoelektronik, Silizium-Fotodetektoren
FotodetektorenLichtsignale werden in elektrische Signale umgewandelt, und mit der stetigen Verbesserung der Datenübertragungsraten sind Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren, die in optoelektronische Plattformen auf Siliziumbasis integriert sind, zu einem Schlüsselelement für Rechenzentren und Telekommunikationsnetze der nächsten Generation geworden. Dieser Artikel bietet einen Überblick über fortschrittliche Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren mit Schwerpunkt auf Germanium-Photodetektoren (Ge- oder Si-Photodetektoren) auf Siliziumbasis.Silizium-Fotodetektorenfür integrierte optoelektronische Technologie.
Germanium ist ein attraktives Material für die Nahinfrarot-Lichtdetektion auf Siliziumplattformen, da es mit CMOS-Prozessen kompatibel ist und eine extrem starke Absorption bei Telekommunikationswellenlängen aufweist. Die gebräuchlichste Ge/Si-Photodetektorstruktur ist die PIN-Diode, bei der das intrinsische Germanium zwischen den p- und n-dotierten Bereichen eingebettet ist.
Geräteaufbau Abbildung 1 zeigt einen typischen vertikalen Pin Ge oderSi-PhotodetektorStruktur:
Zu den Hauptmerkmalen gehören: eine auf einem Siliziumsubstrat gewachsene Germanium-Absorptionsschicht; die zur Sammlung von p- und n-Kontakten von Ladungsträgern dient; Wellenleiterkopplung für eine effiziente Lichtabsorption.
Epitaxiales Wachstum: Die Herstellung von hochwertigem Germanium auf Silizium ist aufgrund der 4,2%igen Gitterfehlanpassung zwischen den beiden Materialien eine Herausforderung. Üblicherweise wird ein zweistufiges Wachstumsverfahren angewendet: Zunächst wird bei niedriger Temperatur (300–400 °C) eine Pufferschicht abgeschieden, anschließend erfolgt die Germaniumabscheidung bei hoher Temperatur (über 600 °C). Dieses Verfahren trägt zur Kontrolle von durch die Gitterfehlanpassung verursachten Versetzungen bei. Eine anschließende Temperung bei 800–900 °C reduziert die Versetzungsdichte weiter auf etwa 10⁷ cm⁻². Leistungsmerkmale: Moderne Ge/Si-PIN-Photodetektoren erreichen folgende Werte: Ansprechverhalten > 0,8 A/W bei 1550 nm; Bandbreite > 60 GHz; Dunkelstrom < 1 μA bei -1 V Vorspannung.
Integration mit siliziumbasierten optoelektronischen Plattformen
Die Integration vonHochgeschwindigkeits-FotodetektorenSiliziumbasierte optoelektronische Plattformen ermöglichen fortschrittliche optische Transceiver und Verbindungen. Die beiden wichtigsten Integrationsmethoden sind: Front-End-Integration (FEOL), bei der Fotodetektor und Transistor gleichzeitig auf einem Siliziumsubstrat gefertigt werden. Dies erlaubt Hochtemperaturprozesse, beansprucht aber Chipfläche. Back-End-Integration (BEOL): Fotodetektoren werden auf dem Metall gefertigt, um Interferenzen mit CMOS zu vermeiden, sind jedoch auf niedrigere Verarbeitungstemperaturen beschränkt.
Abbildung 2: Ansprechverhalten und Bandbreite eines Hochgeschwindigkeits-Ge/Si-Photodetektors
Anwendung im Rechenzentrum
Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren sind eine Schlüsselkomponente der nächsten Generation von Rechenzentrumsverbindungen. Zu den Hauptanwendungen gehören: optische Transceiver: 100G, 400G und höhere Datenraten mit PAM-4-Modulation; AHochbandbreiten-Fotodetektor(>50 GHz) ist erforderlich.
Siliziumbasierter optoelektronischer integrierter Schaltkreis: monolithische Integration von Detektor mit Modulator und anderen Komponenten; eine kompakte, leistungsstarke optische Einheit.
Verteilte Architektur: Optische Verbindung zwischen verteiltem Rechnen, Speichern und Speichern; Treiber der Nachfrage nach energieeffizienten Fotodetektoren mit hoher Bandbreite.
Zukunftsausblick
Die Zukunft integrierter optoelektronischer Hochgeschwindigkeits-Fotodetektoren wird folgende Trends aufweisen:
Höhere Datenraten: Sie treiben die Entwicklung von 800G- und 1,6T-Transceivern voran; Fotodetektoren mit Bandbreiten von mehr als 100 GHz sind erforderlich.
Verbesserte Integration: Integration von III-V-Material und Silizium auf einem einzigen Chip; Fortschrittliche 3D-Integrationstechnologie.
Neue Materialien: Erforschung zweidimensionaler Materialien (wie Graphen) für die ultraschnelle Lichtdetektion; Eine neue Legierung der Gruppe IV für einen erweiterten Wellenlängenbereich.
Neue Anwendungsgebiete: LiDAR und andere Sensoranwendungen treiben die Entwicklung von APD voran; Mikrowellenphotonenanwendungen erfordern Photodetektoren mit hoher Linearität.
Hochgeschwindigkeits-Photodetektoren, insbesondere Germanium- oder Silizium-Photodetektoren, sind zu einem Schlüsselfaktor für die Entwicklung siliziumbasierter Optoelektronik und optischer Kommunikationssysteme der nächsten Generation geworden. Kontinuierliche Fortschritte bei Materialien, Gerätedesign und Integrationstechnologien sind entscheidend, um den steigenden Bandbreitenbedarf zukünftiger Rechenzentren und Telekommunikationsnetze zu decken. Mit der Weiterentwicklung dieses Feldes sind Photodetektoren mit höherer Bandbreite, geringerem Rauschen und nahtloser Integration in elektronische und photonische Schaltungen zu erwarten.
Veröffentlichungsdatum: 20. Januar 2025