В кремниевой оптоэлектронике используются кремниевые фотодетекторы.
ФотодетекторыПреобразовывая световые сигналы в электрические, и по мере дальнейшего повышения скорости передачи данных, высокоскоростные фотодетекторы, интегрированные с кремниевыми оптоэлектронными платформами, стали ключевыми элементами центров обработки данных следующего поколения и телекоммуникационных сетей. В этой статье будет представлен обзор передовых высокоскоростных фотодетекторов с акцентом на германиевые фотодетекторы на основе кремния (Ge или Si).кремниевые фотодетекторыдля интегрированных оптоэлектронных технологий.
Германий — привлекательный материал для обнаружения ближнего инфракрасного света на кремниевых платформах, поскольку он совместим с КМОП-технологиями и обладает чрезвычайно сильным поглощением на телекоммуникационных длинах волн. Наиболее распространенной структурой фотодетектора Ge/Si является PIN-диод, в котором собственный германий расположен между P- и N-областями.
Структура устройства. На рисунке 1 показана типичная вертикальная выводная структура Ge илиКремниевый фотодетекторструктура:
Основные характеристики включают: поглощающий слой из 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 4,2%-ного несоответствия кристаллических решеток двух материалов. Обычно используется двухэтапный процесс роста: выращивание буферного слоя при низкой температуре (300-400°C) и осаждение германия при высокой температуре (выше 600°C). Этот метод помогает контролировать дислокации, вызванные несоответствием кристаллических решеток. Последующий отжиг при 800-900°C дополнительно снижает плотность дислокаций до примерно 10^7 см^-2. Характеристики производительности: Самый современный Ge/Si PIN-фотодетектор может обеспечить: чувствительность > 0,8 А/Вт при 1550 нм; полосу пропускания > 60 ГГц; темновой ток < 1 мкА при напряжении смещения -1 В.
Интеграция с кремниевыми оптоэлектронными платформами
Интеграциявысокоскоростные фотодетекторыИспользование оптоэлектронных платформ на основе кремния позволяет создавать передовые оптические трансиверы и межсоединения. Существуют два основных метода интеграции: фронтальная интеграция (FEOL), при которой фотодетектор и транзистор одновременно изготавливаются на кремниевой подложке, что позволяет использовать высокотемпературную обработку, но при этом занимает площадь кристалла; и тыловая интеграция (BEOL). Фотодетекторы изготавливаются поверх металлической подложки, чтобы избежать помех для CMOS-технологии, но их использование ограничено более низкими температурами обработки.
Рисунок 2: Чувствительность и полоса пропускания высокоскоростного Ge/Si фотодетектора.
приложение для центра обработки данных
Высокоскоростные фотодетекторы являются ключевым компонентом в межсоединениях центров обработки данных следующего поколения. Основные области применения включают: оптические трансиверы: 100G, 400G и выше, использующие модуляцию PAM-4;фотодетектор с высокой пропускной способностьюТребуется частота (>50 ГГц).
Кремниевая оптоэлектронная интегральная схема: монолитная интеграция детектора с модулятором и другими компонентами; компактный высокопроизводительный оптический модуль.
Распределенная архитектура: оптическое соединение между распределенными вычислительными ресурсами, хранилищем данных и другими устройствами хранения; стимулирует спрос на энергоэффективные фотодетекторы с высокой пропускной способностью.
Перспективы на будущее
В будущем в области интегрированных оптоэлектронных высокоскоростных фотодетекторов будут наблюдаться следующие тенденции:
Более высокие скорости передачи данных: стимулируют разработку трансиверов 800G и 1.6T; необходимы фотодетекторы с полосой пропускания более 100 ГГц.
Улучшенная интеграция: интеграция материалов III-V групп и кремния на одном чипе; передовая технология 3D-интеграции.
Новые материалы: исследование двумерных материалов (таких как графен) для сверхбыстрого обнаружения света; новый сплав IV группы для расширения диапазона длин волн.
Перспективные области применения: разработка APD стимулируется такими приложениями, как лидар и другие датчики; также востребованы микроволновые фотонные приложения, требующие высоколинейных фотодетекторов.
Высокоскоростные фотодетекторы, особенно фотодетекторы на основе германия или кремния, стали ключевым фактором развития кремниевой оптоэлектроники и оптической связи следующего поколения. Дальнейшее совершенствование материалов, конструкции устройств и технологий интеграции имеет важное значение для удовлетворения растущих потребностей в пропускной способности будущих центров обработки данных и телекоммуникационных сетей. По мере дальнейшего развития этой области можно ожидать появления фотодетекторов с более высокой пропускной способностью, более низким уровнем шума и бесшовной интеграцией с электронными и фотонными схемами.
Дата публикации: 20 января 2025 г.