Silicio pagrindu pagamintai optoelektronikai, silicio fotodetektoriai
Fotodetektoriaikonvertuoti šviesos signalus į elektrinius signalus, o duomenų perdavimo spartai nuolat gerėjant, didelės spartos fotodetektoriai, integruoti su silicio pagrindu pagamintomis optoelektronikos platformomis, tapo pagrindiniais naujos kartos duomenų centrų ir telekomunikacijų tinklų elementais. Šiame straipsnyje bus pateikta pažangių didelės spartos fotodetektorių apžvalga, ypatingą dėmesį skiriant silicio pagrindu pagamintam germaniui (Ge arba Si fotodetektoriui).silicio fotodetektoriaiintegruotai optoelektronikos technologijai.
Germanis yra patraukli medžiaga artimojo infraraudonojo spinduliavimo aptikimui silicio platformose, nes jis suderinamas su CMOS procesais ir pasižymi itin stipria absorbcija telekomunikacijų bangos ilgiuose. Dažniausia Ge/Si fotodetektoriaus struktūra yra adatinis diodas, kuriame vidinis germanis yra tarp P ir N tipo sričių.
Įrenginio struktūra 1 paveiksle parodytas tipinis vertikalus Ge arbaSi fotodetektoriusstruktūra:
Pagrindinės savybės: ant silicio pagrindo užaugintas germanio sugeriantis sluoksnis; naudojamas krūvininkų p ir n kontaktams surinkti; bangolaidžio sujungimas efektyviam šviesos sugėrimui.
Epitaksinis auginimas: Užauginti aukštos kokybės germanį ant silicio yra sudėtinga dėl 4,2 % gardelės neatitikimo tarp šių dviejų medžiagų. Paprastai naudojamas dviejų pakopų auginimo procesas: žemos temperatūros (300–400 °C) buferinio sluoksnio auginimas ir aukštos temperatūros (virš 600 °C) germanio nusodinimas. Šis metodas padeda kontroliuoti sriegimo dislokacijas, atsirandančias dėl gardelės neatitikimų. Atkaitinimas po auginimo 800–900 °C temperatūroje dar labiau sumažina sriegimo dislokacijų tankį iki maždaug 10^7 cm^-2. Veikimo charakteristikos: Pažangiausias Ge/Si PIN fotodetektorius gali pasiekti: jautrumą > 0,8 A /W esant 1550 nm; dažnių juostos plotį >60 GHz; tamsos srovę <1 μA esant -1 V įtampai.
Integracija su silicio pagrindu veikiančiomis optoelektronikos platformomis
Integracijadidelės spartos fotodetektoriaiSilicio pagrindu sukurtos optoelektronikos platformos leidžia naudoti pažangius optinius siųstuvus-imtuvus ir tarpusavysčius. Du pagrindiniai integravimo metodai yra šie: Priekinė integracija (FEOL), kai fotodetektorius ir tranzistorius vienu metu gaminami ant silicio substrato, leidžiančio apdoroti aukštoje temperatūroje, bet užimančioje mikroschemos plotą. Galinė integracija (BEOL). Fotodetektoriai gaminami ant metalo, siekiant išvengti trukdžių CMOS, tačiau jie apriboti žemesne apdorojimo temperatūra.
2 pav.: Didelės spartos Ge/Si fotodetektoriaus jautrumas ir pralaidumas
Duomenų centro programa
Didelės spartos fotodetektoriai yra pagrindinis naujos kartos duomenų centrų sujungimo komponentas. Pagrindinės taikymo sritys: optiniai siųstuvai-imtuvai: 100G, 400G ir didesnės spartos, naudojant PAM-4 moduliaciją; Adidelio pralaidumo fotodetektoriusReikalingas (>50 GHz).
Silicio pagrindu pagaminta optoelektroninė integrinė grandinė: detektoriaus su moduliatoriumi ir kitais komponentais monolitinis integravimas; kompaktiškas, didelio našumo optinis variklis.
Paskirstyta architektūra: optinis sujungimas tarp paskirstytųjų skaičiavimų, saugyklų ir duomenų saugyklų; energiją taupančių, didelio pralaidumo fotodetektorių paklausos skatinimas.
Ateities perspektyvos
Integruotų optoelektroninių didelės spartos fotodetektorių ateitis parodys šias tendencijas:
Didesnis duomenų perdavimo greitis: skatina 800G ir 1.6T siųstuvų-imtuvų plėtrą; Reikalingi fotodetektoriai, kurių dažnių juostos plotis didesnis nei 100 GHz.
Patobulinta integracija: III-V medžiagos ir silicio integracija viename luste; Pažangi 3D integravimo technologija.
Naujos medžiagos: dvimatės medžiagos (pvz., grafenas), skirtos itin greitam šviesos aptikimui, tyrimas; naujas IV grupės lydinys, skirtas platesniam bangos ilgiui.
Naujos taikymo sritys: LiDAR ir kitos jutimo taikymo sritys skatina APD plėtrą; mikrobangų fotonų taikymo sritys, kurioms reikalingi didelio tiesiškumo fotodetektoriai.
Didelės spartos fotodetektoriai, ypač Ge arba Si fotodetektoriai, tapo pagrindiniu silicio pagrindu sukurtos optoelektronikos ir naujos kartos optinių ryšių varikliu. Nuolatinė medžiagų, įrenginių projektavimo ir integravimo technologijų pažanga yra svarbi siekiant patenkinti augančius būsimų duomenų centrų ir telekomunikacijų tinklų pralaidumo poreikius. Šiai sričiai toliau tobulėjant, galime tikėtis pamatyti fotodetektorius, pasižyminčius didesniu pralaidumu, mažesniu triukšmu ir sklandžiai integruojamus su elektroninėmis ir fotoninėmis grandinėmis.
Įrašo laikas: 2025 m. sausio 20 d.