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

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

Mga Photodetectori-convert ang mga light signal 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 platform ng optoelectronics na nakabatay sa silicon ay naging susi sa mga susunod na henerasyong data center at mga network ng telekomunikasyon. Ang artikulong ito ay magbibigay ng pangkalahatang-ideya ng mga advanced na high-speed photodetector, na may diin sa silicon based germanium (Ge o Si photodetector)mga photodetector ng silikonpara sa pinagsamang teknolohiya ng optoelectronics.

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

Istruktura ng device Ang Figure 1 ay nagpapakita ng tipikal na vertical pin na Ge oIsang photodetectoristraktura:

Ang mga pangunahing tampok ay kinabibilangan ng: germanium absorbing layer na lumago sa silikon na substrate; Ginagamit upang mangolekta ng mga p at n contact ng mga carrier ng bayad; Waveguide coupling para sa mahusay na pagsipsip ng liwanag.

Epitaxial growth: Ang pagpapalago ng mataas na kalidad na germanium sa silicon ay mahirap dahil sa 4.2% na hindi pagkakatugma ng lattice sa pagitan ng dalawang materyales. Ang isang dalawang-hakbang na proseso ng paglago ay karaniwang ginagamit: mababang temperatura (300-400°C) buffer layer growth at mataas na temperatura (mahigit sa 600°C) deposition ng germanium. Nakakatulong ang paraang ito na kontrolin ang mga dislokasyon ng threading na sanhi ng hindi pagkakatugma ng sala-sala. Ang post-growth annealing sa 800-900°C ay higit pang binabawasan ang 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: 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 nakabatay sa silikon

Ang pagsasama nghigh-speed photodetectorna may mga platform na optoelectronics na nakabatay sa silicon ay nagbibigay-daan sa mga advanced na optical transceiver at interconnects. Ang dalawang pangunahing paraan ng integration ay ang mga sumusunod: Front-end integration (FEOL), kung saan ang photodetector at transistor ay sabay-sabay na ginawa sa isang silicon substrate na nagbibigay-daan para sa pagproseso ng mataas na temperatura, ngunit kumukuha ng chip area. Back-end integration (BEOL). Ang mga photodetector ay ginawa sa ibabaw ng metal upang maiwasan ang interference sa CMOS, ngunit limitado sa mas mababang temperatura ng pagproseso.

Figure 2: Responsiveness at bandwidth ng isang high-speed Ge/Si photodetector

Application ng data center

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

Silicon-based optoelectronic integrated circuit: monolithic integration ng detector sa modulator at iba pang mga bahagi; Isang compact, high-performance na optical engine.

Ibinahagi na arkitektura: optical interconnection sa pagitan ng distributed computing, storage, at storage; Nagtutulak sa pangangailangan para sa matipid sa enerhiya, high-bandwidth na photodetector.

Kinabukasan na pananaw

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

Mas mataas na rate ng data: Nagtutulak sa pagbuo ng 800G at 1.6T transceiver; Kinakailangan ang mga photodetector na may mga bandwidth na higit sa 100 GHz.

Pinahusay na pagsasama: Pagsasama ng solong chip ng III-V na materyal at silikon; Advanced na teknolohiya ng 3D integration.

Mga bagong materyales: Paggalugad ng mga two-dimensional na materyales (gaya ng graphene) para sa ultrafast light detection; Isang bagong Group IV na haluang metal para sa pinahabang wavelength na saklaw.

Mga umuusbong na application: Ang LiDAR at iba pang sensing application ay nagtutulak sa pagbuo ng APD; Microwave photon application na nangangailangan ng mataas na linearity photodetector.

Ang mga high-speed photodetector, lalo na ang Ge o Si photodetector, ay naging pangunahing driver ng optoelectronics na nakabatay sa silicon at mga susunod na henerasyong optical na komunikasyon. Ang patuloy na pag-unlad sa mga materyales, disenyo ng device, at mga teknolohiya ng pagsasama ay mahalaga upang matugunan ang lumalaking pangangailangan sa bandwidth ng mga hinaharap na data center at mga network ng telekomunikasyon. Habang patuloy na umuunlad ang field, maaari nating asahan na makakita ng mga photodetector na may mas mataas na bandwidth, mas mababang ingay, at tuluy-tuloy na pagsasama sa mga electronic at photonic circuit.