Para sa optoelectronics na nakabatay sa silicon, mga silicon photodetector (Si photodetector)

Para sa optoelectronics na nakabatay sa silicon, mga photodetector ng silicon

Mga photodetectorKino-convert ang mga signal ng liwanag tungo sa mga electrical signal, at habang patuloy na bumubuti ang mga rate ng paglilipat ng data, ang mga high-speed photodetector na isinama sa mga silicon-based optoelectronics platform ay naging susi sa mga susunod na henerasyon ng mga data center at mga network ng telekomunikasyon. Ang artikulong ito ay magbibigay ng pangkalahatang-ideya ng mga advanced high-speed photodetector, na may diin sa silicon based germanium (Ge o Si photodetector).mga photodetector ng silikonpara sa pinagsamang teknolohiyang optoelectronics.

Ang Germanium ay isang kaakit-akit na materyal para sa near infrared light detection sa mga silicon platform dahil tugma ito sa mga proseso ng CMOS at may napakalakas na absorption sa mga wavelength ng telekomunikasyon. Ang pinakakaraniwang istruktura ng Ge/Si photodetector ay ang pin diode, kung saan ang intrinsic germanium ay nasa pagitan ng mga rehiyon ng P-type at N-type.

Istruktura ng aparato Ipinapakita ng Figure 1 ang isang tipikal na patayong pin na Ge oSi photodetectoristruktura:

Ang mga pangunahing katangian ay kinabibilangan ng: patong na sumisipsip ng germanium na itinatanim sa silicon substrate; Ginagamit upang mangolekta ng mga p at n na kontak ng mga tagapagdala ng karga; Pagkabit ng Waveguide para sa mahusay na pagsipsip ng liwanag.

Paglago ng epitaxial: Ang pagpapatubo ng mataas na kalidad na germanium sa silicon ay isang hamon dahil sa 4.2% na lattice mismatch sa pagitan ng dalawang materyales. Karaniwang ginagamit ang dalawang-hakbang na proseso ng paglago: paglago ng buffer layer sa mababang temperatura (300-400°C) at mataas na temperatura (higit sa 600°C) na deposisyon ng germanium. Ang pamamaraang ito ay nakakatulong upang makontrol ang mga threading dislocation na dulot ng mga lattice mismatch. Ang post-growth annealing sa 800-900°C ay lalong nagpapababa sa threading dislocation density sa humigit-kumulang 10^7 cm^-2. Mga katangian ng pagganap: Ang pinaka-advanced na Ge/Si PIN photodetector ay maaaring makamit ang: responsiveness, > 0.8A /W sa 1550 nm; Bandwidth, >60 GHz; Dark current, <1 μA sa -1 V bias.

Pagsasama sa mga platapormang optoelectronics na nakabatay sa silicon

Ang integrasyon ngmga high-speed photodetectorAng mga platapormang optoelectronics na nakabatay sa silicon ay nagbibigay-daan sa mga advanced na optical transceiver at interconnect. Ang dalawang pangunahing paraan ng integrasyon ay ang mga sumusunod: Front-end integration (FEOL), kung saan ang photodetector at transistor ay sabay na ginagawa sa isang silicon substrate na nagbibigay-daan para sa pagproseso sa mataas na temperatura, ngunit sumasakop sa lugar ng chip. Back-end integration (BEOL). Ang mga photodetector ay ginagawa sa ibabaw ng metal upang maiwasan ang interference sa CMOS, ngunit limitado sa mas mababang temperatura ng pagproseso.

Pigura 2: Pagtugon at bandwidth ng isang high-speed Ge/Si photodetector

Aplikasyon ng data center

Ang mga high-speed photodetector ay isang mahalagang bahagi sa susunod na henerasyon ng pagkakabit ng data center. Kabilang sa mga pangunahing aplikasyon ang: optical transceiver: 100G, 400G at mas mataas na mga rate, gamit ang PAM-4 modulation;mataas na bandwidth na photodetector(>50 GHz) ay kinakailangan.

Optoelectronic integrated circuit na nakabatay sa silikon: monolitikong integrasyon ng detector na may modulator at iba pang mga bahagi; Isang siksik at mataas na pagganap na optical engine.

Distributed architecture: optical interconnection sa pagitan ng distributed computing, storage, at storage; Nagtutulak sa demand para sa mga energy-efficient at high-bandwidth photodetector.

Pananaw sa hinaharap

Ang kinabukasan ng integrated optoelectronic high-speed photodetectors ay magpapakita ng mga sumusunod na trend:

Mas Mataas na Data Rate: Nagtutulak sa pag-unlad ng 800G at 1.6T transceiver; Kinakailangan ang mga photodetector na may bandwidth na higit sa 100 GHz.

Pinahusay na integrasyon: Pagsasama ng materyal na III-V at silicon sa iisang chip; Maunlad na teknolohiya ng integrasyon ng 3D.

Mga bagong materyales: Paggalugad ng mga two-dimensional na materyales (tulad ng graphene) para sa napakabilis na pagtuklas ng liwanag; Isang bagong Group IV alloy para sa pinalawak na saklaw ng wavelength.

Mga umuusbong na aplikasyon: Ang LiDAR at iba pang mga aplikasyon ng sensing ang nagtutulak sa pag-unlad ng APD; Ang mga aplikasyon ng microwave photon ay nangangailangan ng mga high linearity photodetector.

Ang mga high-speed photodetector, lalo na ang mga Ge o Si photodetector, ay naging pangunahing tagapagtaguyod ng silicon-based optoelectronics at mga susunod na henerasyon ng optical communications. Ang patuloy na pagsulong sa mga materyales, disenyo ng device, at mga teknolohiya ng integrasyon ay mahalaga upang matugunan ang lumalaking pangangailangan sa bandwidth ng mga data center at telecommunication network sa hinaharap. Habang patuloy na umuunlad ang larangan, maaari nating asahan na makakita ng mga photodetector na may mas mataas na bandwidth, mas mababang ingay, at tuluy-tuloy na integrasyon sa mga electronic at photonic circuit.