Para sa optoelectronics na batay sa silikon, ang mga silikon na photodetectors (SI photodetector)

Para sa optoelectronics na batay sa silikon, ang mga silikon na photodetectors

PhotodetectorsI-convert ang mga signal ng ilaw sa mga signal ng elektrikal, at habang ang mga rate ng paglilipat ng data ay patuloy na mapabuti, ang mga high-speed na photodetectors na isinama sa mga platform na batay sa silikon na batay sa silikon ay naging susi sa mga susunod na henerasyon na mga sentro ng data at mga network ng telecommunication. Ang artikulong ito ay magbibigay ng isang pangkalahatang-ideya ng mga advanced na high-speed photodetectors, na may diin sa silikon na batay sa germanium (GE o SI photodetector)Silicon Photodetectorspara sa pinagsamang teknolohiya ng optoelectronics.

Ang Germanium ay isang kaakit -akit na materyal para sa malapit sa infrared light detection sa mga platform ng silikon dahil katugma ito sa mga proseso ng CMOS at may napakalakas na pagsipsip sa mga haba ng telecommunication. Ang pinaka-karaniwang istraktura ng Ge/Si photodetector ay ang pin diode, kung saan ang intrinsic germanium ay sandwiched sa pagitan ng mga p-type at n-type na mga rehiyon.

Ang istraktura ng aparato Larawan 1 ay nagpapakita ng isang tipikal na vertical pin ge oSI PhotodetectorIstraktura:

Ang mga pangunahing tampok ay kinabibilangan ng: germanium sumisipsip ng layer na lumago sa silikon na substrate; Ginamit upang mangolekta ng mga contact ng P at N ng mga carrier ng singil; Ang pagkabit ng Waveguide para sa mahusay na pagsipsip ng ilaw.

Paglago ng Epitaxial: Ang paglaki ng mataas na kalidad na germanium sa silikon ay mapaghamong dahil sa 4.2% na lattice mismatch sa pagitan ng dalawang materyales. Ang isang dalawang hakbang na proseso ng paglago ay karaniwang ginagamit: mababang temperatura (300-400 ° C) paglaki ng layer ng buffer at mataas na temperatura (sa itaas ng 600 ° C) pag-aalis ng germanium. Ang pamamaraang ito ay nakakatulong upang makontrol ang mga dislocations ng pag -thread na dulot ng mga mismatches ng lattice. Ang post-growth annealing sa 800-900 ° C ay karagdagang binabawasan ang density ng dislocation ng threading sa halos 10^7 cm^-2. Mga Katangian ng Pagganap: Ang Pinaka -Advanced na Ge /Si Pin Photodetector ay maaaring makamit: pagtugon,> 0.8A /W sa 1550 nm; Bandwidth,> 60 GHz; Madilim na kasalukuyang, <1 μA sa -1 V bias.

Pagsasama sa mga platform ng optoelectronics na batay sa silikon

Ang pagsasama ngMataas na bilis ng photodetectorsna may mga platform na batay sa silikon na batay sa silikon ay nagbibigay-daan sa mga advanced na optical transceiver at magkakaugnay. Ang dalawang pangunahing pamamaraan ng pagsasama ay ang mga sumusunod: Pagsasama ng Front-End (FEOL), kung saan ang photodetector at transistor ay sabay-sabay na ginawa sa isang silikon na substrate na nagpapahintulot sa pagproseso ng mataas na temperatura, ngunit ang pagkuha ng chip area. Pagsasama ng Back-End (Beol). Ang mga Photodetectors ay gawa sa tuktok ng metal upang maiwasan ang pagkagambala sa mga CMO, ngunit limitado sa mas mababang temperatura ng pagproseso.

Larawan 2: pagtugon at bandwidth ng isang high-speed GE/Si photodetector

Application ng Data Center

Ang mga high-speed photodetectors ay isang pangunahing sangkap sa susunod na henerasyon ng magkakaugnay na data center. Ang mga pangunahing aplikasyon ay kinabibilangan ng: optical transceiver: 100g, 400g at mas mataas na rate, gamit ang modulation ng PAM-4; AMataas na bandwidth photodetector(> 50 GHz) ay kinakailangan.

Silicon-based optoelectronic integrated circuit: monolitikong pagsasama ng detector na may modulator at iba pang mga sangkap; Isang compact, high-performance optical engine.

Ipinamamahaging arkitektura: optical interconnection sa pagitan ng ipinamamahaging computing, imbakan, at imbakan; Pagmamaneho ng demand para sa enerhiya-mahusay, high-bandwidth photodetectors.

Hinaharap na pananaw

Ang hinaharap ng integrated optoelectronic high-speed photodetectors ay magpapakita ng mga sumusunod na uso:

Mas mataas na mga rate ng data: Pagmamaneho ng pagbuo ng 800g at 1.6T transceiver; Ang mga photodetectors na may bandwidth na higit sa 100 GHz ay ​​kinakailangan.

Pinahusay na Pagsasama: Single Chip Pagsasama ng III-V Material at Silicon; Advanced na teknolohiya ng pagsasama ng 3D.

Mga bagong materyales: Paggalugad ng dalawang-dimensional na materyales (tulad ng graphene) para sa ultrafast light detection; Ang isang bagong haluang metal na Group IV para sa pinalawig na saklaw ng haba ng haba.

Mga umuusbong na aplikasyon: Ang LIDAR at iba pang mga aplikasyon ng sensing ay nagmamaneho sa pagbuo ng APD; Ang mga application ng Microwave Photon na nangangailangan ng mataas na linearity photodetectors.

Ang mga high-speed photodetectors, lalo na ang GE o SI photodetectors, ay naging isang pangunahing driver ng optoelectronics na batay sa silikon at susunod na henerasyon na optical na komunikasyon. Ang patuloy na pagsulong sa mga materyales, disenyo ng aparato, at mga teknolohiya ng pagsasama ay mahalaga upang matugunan ang lumalagong mga hinihingi ng bandwidth ng mga sentro ng data sa hinaharap at mga network ng telecommunication. Habang patuloy na nagbabago ang patlang, maaari nating asahan na makita ang mga photodetectors na may mas mataas na bandwidth, mas mababang ingay, at walang tahi na pagsasama sa mga electronic at photonic circuit.