Для кремниевой оптоэлектроники, кремниевых фотодетекторов
ФотодетекторыПреобразование световых сигналов в электрические, и по мере роста скорости передачи данных, высокоскоростные фотодетекторы, интегрированные с кремниевыми оптоэлектронными платформами, стали ключевым элементом центров обработки данных и телекоммуникационных сетей нового поколения. В этой статье представлен обзор современных высокоскоростных фотодетекторов, с акцентом на кремниевые германиевые (Ge или Si) фотодетекторы.кремниевые фотодетекторыдля технологии интегральной оптоэлектроники.
Германий — привлекательный материал для детектирования ближнего инфракрасного излучения на кремниевых платформах, поскольку он совместим с КМОП-технологиями и обладает чрезвычайно сильным поглощением на телекоммуникационных длинах волн. Наиболее распространённой структурой фотодетекторов Ge/Si является pin-диод, в котором собственный германий расположен между областями P- и N-типа.
Структура устройства На рисунке 1 показан типичный вертикальный штырьковый Ge илиSi-фотодетекторструктура:
Основные особенности включают в себя: поглощающий слой германия, выращенный на кремниевой подложке; используется для сбора p- и n-контактов носителей заряда; волноводная связь для эффективного поглощения света.
Эпитаксиальный рост: Выращивание высококачественного германия на кремнии представляет собой сложную задачу из-за рассогласования параметров кристаллических решеток двух материалов, составляющего 4,2%. Обычно используется двухэтапный процесс роста: низкотемпературный (300–400 °C) рост буферного слоя и высокотемпературное (выше 600 °C) осаждение германия. Этот метод помогает контролировать прорастающие дислокации, вызванные рассогласованием параметров кристаллических решеток. Послеростовой отжиг при 800–900 °C дополнительно снижает плотность прорастающих дислокаций до примерно 10^7 см^-2. Рабочие характеристики: Самый современный Ge/Si PIN-фотодетектор может достигать: чувствительности > 0,8 А/Вт на длине волны 1550 нм; полосы пропускания > 60 ГГц; темнового тока < 1 мкА при напряжении смещения -1 В.
Интеграция с кремниевыми оптоэлектронными платформами
Интеграциявысокоскоростные фотодетекторыПлатформы на основе кремниевой оптоэлектроники позволяют создавать передовые оптические приёмопередатчики и межсоединения. Существуют два основных метода интеграции: фронтальная интеграция (FEOL), при которой фотодетектор и транзистор одновременно изготавливаются на кремниевой подложке, что позволяет проводить высокотемпературную обработку, но при этом занимают площадь кристалла; бэкэнд-интеграция (BEOL). Фотодетекторы изготавливаются поверх металлической подложки, чтобы избежать помех с КМОП-структурой, но ограничены более низкими температурами обработки.
Рисунок 2: Чувствительность и полоса пропускания высокоскоростного фотодетектора Ge/Si
Приложение для центра обработки данных
Высокоскоростные фотодетекторы являются ключевым компонентом следующего поколения систем связи в центрах обработки данных. Основные области применения: оптические приёмопередатчики: 100G, 400G и выше, с модуляцией PAM-4;широкополосный фотодетектор(>50 ГГц) требуется.
Оптоэлектронная интегральная схема на основе кремния: монолитная интеграция детектора с модулятором и другими компонентами; компактный, высокопроизводительный оптический механизм.
Распределенная архитектура: оптическая взаимосвязь между распределенными вычислениями, хранилищем и системами хранения данных; стимулирование спроса на энергоэффективные фотодетекторы с высокой пропускной способностью.
Взгляд на будущее
Будущее интегральных оптоэлектронных высокоскоростных фотоприемников будет демонстрировать следующие тенденции:
Более высокие скорости передачи данных: стимулируют разработку приемопередатчиков 800G и 1,6T; требуются фотодетекторы с полосой пропускания более 100 ГГц.
Улучшенная интеграция: Интеграция материала III-V и кремния в один кристалл; Передовая технология 3D-интеграции.
Новые материалы: исследование двумерных материалов (таких как графен) для сверхбыстрого обнаружения света; новый сплав Группы IV для расширенного охвата длин волн.
Новые области применения: LiDAR и другие области применения датчиков стимулируют развитие APD; области применения микроволновых фотонов, требующие фотодетекторов с высокой линейностью.
Высокоскоростные фотодетекторы, особенно германиевые (Ge) или кремниевые (Si), стали ключевым фактором развития кремниевой оптоэлектроники и оптических систем связи нового поколения. Дальнейшее развитие материалов, дизайна устройств и технологий интеграции важно для удовлетворения растущих требований к пропускной способности будущих центров обработки данных и телекоммуникационных сетей. По мере развития этой области можно ожидать появления фотодетекторов с более высокой пропускной способностью, низким уровнем шума и бесшовной интеграцией с электронными и фотонными схемами.
Время публикации: 20 января 2025 г.