Для кремниевой оптоэлектроники, кремниевые фотодетекторы
Фотодетекторыпреобразуют световые сигналы в электрические, и поскольку скорость передачи данных продолжает улучшаться, высокоскоростные фотодетекторы, интегрированные с кремниевыми оптоэлектронными платформами, стали ключевыми для центров обработки данных и телекоммуникационных сетей следующего поколения. В этой статье будет представлен обзор современных высокоскоростных фотодетекторов с акцентом на германиевые фотодетекторы на основе кремния (Ge или Si фотодетекторы)кремниевые фотодетекторыдля технологии интегрированной оптоэлектроники.
Германий является привлекательным материалом для обнаружения ближнего инфракрасного света на кремниевых платформах, поскольку он совместим с КМОП-процессами и имеет чрезвычайно сильное поглощение на телекоммуникационных длинах волн. Наиболее распространенной структурой фотодетектора Ge/Si является pin-диод, в котором собственный германий зажат между областями P-типа и N-типа.
Структура устройства На рисунке 1 показан типичный вертикальный штыревой Ge иликремниевый фотодетекторструктура:
Основные характеристики 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 является сложной задачей из-за несоответствия решеток двух материалов на 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 пронизывающие дислокации, вызванные несоответствием решеток. Постростовой отжиг при 800-900 °C дополнительно снижает плотность пронизывающих дислокаций примерно до 10^7 см^-2. Характеристики производительности: Самый передовой фотодетектор Ge/Si PIN может достигать: чувствительности, > 0,8 А / Вт при 1550 нм; полосы пропускания, > 60 ГГц; темнового тока, < 1 мкА при смещении -1 В.
Интеграция с кремниевыми оптоэлектронными платформами
Интеграциявысокоскоростные фотодетекторыс кремниевыми оптоэлектронными платформами позволяет создавать передовые оптические приемопередатчики и межсоединения. Два основных метода интеграции следующие: Интеграция на переднем конце (FEOL), где фотодетектор и транзистор одновременно производятся на кремниевой подложке, что позволяет проводить высокотемпературную обработку, но занимает площадь чипа. Интеграция на заднем конце (BEOL). Фотодетекторы производятся поверх металла, чтобы избежать помех с КМОП, но ограничены более низкими температурами обработки.
Рисунок 2: Чувствительность и полоса пропускания высокоскоростного фотодетектора Ge/Si
Приложение центра обработки данных
Высокоскоростные фотодетекторы являются ключевым компонентом в следующем поколении взаимосвязей центров обработки данных. Основные приложения включают: оптические трансиверы: 100G, 400G и более высокие скорости, использующие модуляцию PAM-4; Aширокополосный фотодетектор(>50 ГГц) требуется.
Оптоэлектронная интегральная схема на основе кремния: монолитная интеграция детектора с модулятором и другими компонентами; компактный, высокопроизводительный оптический двигатель.
Распределенная архитектура: оптическая взаимосвязь между распределенными вычислениями, хранением и хранением данных; стимулирование спроса на энергоэффективные фотодетекторы с высокой пропускной способностью.
Перспективы на будущее
Будущее интегрированных оптоэлектронных высокоскоростных фотоприемников будет характеризоваться следующими тенденциями:
Более высокие скорости передачи данных: стимулирование разработки трансиверов 800G и 1,6T; требуются фотодетекторы с полосой пропускания более 100 ГГц.
Улучшенная интеграция: Интеграция в один кристалл материала III-V и кремния; Передовая технология 3D-интеграции.
Новые материалы: исследование двумерных материалов (таких как графен) для сверхбыстрого обнаружения света; новый сплав группы IV для расширенного покрытия длин волн.
Новые приложения: LiDAR и другие приложения для измерения стимулируют развитие APD; приложения с использованием микроволновых фотонов, требующие фотодетекторов с высокой линейностью.
Высокоскоростные фотодетекторы, особенно фотодетекторы Ge или Si, стали ключевым фактором развития кремниевой оптоэлектроники и оптических коммуникаций следующего поколения. Дальнейшее развитие материалов, дизайна устройств и технологий интеграции важно для удовлетворения растущих потребностей в пропускной способности будущих центров обработки данных и телекоммуникационных сетей. Поскольку эта область продолжает развиваться, мы можем ожидать появления фотодетекторов с более высокой пропускной способностью, меньшим уровнем шума и бесшовной интеграцией с электронными и фотонными схемами.
Время публикации: 20 января 2025 г.