Кремний негізіндегі оптоэлектроника, кремний фотодетекторлары (Si фотодетекторы) үшін

Кремний негізіндегі оптоэлектроника, кремний фотодетекторлары үшін

Фотодетекторларжарық сигналдарын электрлік сигналдарға түрлендіреді және деректерді беру жылдамдығы жақсара берген сайын, кремний негізіндегі оптоэлектроника платформаларымен біріктірілген жоғары жылдамдықты фотодетекторлар келесі ұрпақ деректер орталықтары мен телекоммуникация желілерінің кілтіне айналды. Бұл мақала кремний негізіндегі германийге (Ge немесе Si фотодетекторы) назар аудара отырып, жоғары жылдамдықты жетілдірілген фотодетекторларға шолу жасайды.кремний фотодетекторларыбіріктірілген оптоэлектроника технологиясына арналған.

Германий кремний платформаларында жақын инфрақызыл сәулелерді анықтауға арналған тартымды материал болып табылады, себебі ол CMOS процестерімен үйлесімді және телекоммуникациялық толқын ұзындығында өте күшті сіңіреді. Ең көп таралған Ge/Si фотодетектор құрылымы P-типті және N-типті аймақтар арасында ішкі германий сэндвичтелген түйреуіш диод болып табылады.

Құрылғы құрылымы 1-суретте типтік Ge немесе тік түйреуіш көрсетілгенSi фотодетекторықұрылымы:

Негізгі ерекшеліктеріне мыналар жатады: кремний субстратында өсірілген германийді сіңіретін қабат; Заряд тасымалдаушылардың p және n контактілерін жинау үшін қолданылады; Жарықты тиімді сіңіру үшін толқын өткізгіш муфта.

Эпитаксиалды өсу: кремнийде жоғары сапалы германийді өсіру екі материал арасындағы 4,2% тордың сәйкессіздігіне байланысты қиын. Әдетте екі сатылы өсу процесі қолданылады: төменгі температурада (300-400°С) буферлік қабаттың өсуі және германийдің жоғары температурада (600°С жоғары) тұндыру. Бұл әдіс тордың сәйкес келмеуінен туындаған жіптердің дислокациясын басқаруға көмектеседі. 800-900°C температурада өсуден кейінгі жасыту жіптердің дислокациясының тығыздығын шамамен 10^7 см^-2 дейін төмендетеді. Өнімділік сипаттамалары: Ең жетілдірілген Ge/Si PIN фотодетекторы мыналарға қол жеткізе алады: жауап беру, 1550 нм кезінде > 0,8А /Вт; Өткізу жолағы,>60 ГГц; Қараңғы ток, -1 В ығысу кезінде <1 мкА.

Кремний негізіндегі оптоэлектроника платформаларымен интеграция

интеграциясыжоғары жылдамдықты фотодетекторларкремний негізіндегі оптоэлектроника платформалары озық оптикалық қабылдағыштарды және интерконнектілерді қамтамасыз етеді. Интеграцияның екі негізгі әдісі төмендегідей: алдыңғы қатардағы интеграция (FEOL), мұнда фотодетектор мен транзистор бір уақытта кремний субстратында жасалады, бұл жоғары температурада өңдеуге мүмкіндік береді, бірақ чиптің аумағын алады. Back-end интеграциясы (BEOL). Фотодетекторлар CMOS-қа кедергі келтірмеу үшін металдың үстіне жасалады, бірақ өңдеудің төмен температураларымен шектеледі.

2-сурет: Жоғары жылдамдықты Ge/Si фотодетекторының жауап беру қабілеті мен өткізу қабілеті

Деректер орталығының қолданбасы

Жоғары жылдамдықты фотодетекторлар деректер орталығының өзара байланысының келесі буынының негізгі құрамдас бөлігі болып табылады. Негізгі қолданбаларға мыналар жатады: оптикалық қабылдағыштар: 100G, 400G және PAM-4 модуляциясын қолданатын жоғары жылдамдықтар; Аөткізу қабілеттілігі жоғары фотодетектор(>50 ГГц) қажет.

Кремний негізіндегі оптоэлектронды интегралды схема: модулятормен және басқа компоненттермен детектордың монолитті интеграциясы; Ықшам, өнімділігі жоғары оптикалық қозғалтқыш.

Бөлінген архитектура: бөлінген есептеулер, сақтау және сақтау арасындағы оптикалық өзара байланыс; Энергияны үнемдейтін, өткізу қабілеті жоғары фотодетекторларға сұранысты арттыру.

Болашаққа көзқарас

Біріктірілген оптоэлектронды жоғары жылдамдықты фотодетекторлардың болашағы келесі тенденцияларды көрсетеді:

Деректердің жоғары жылдамдықтары: 800G және 1.6T трансиверлерін дамыту; Өткізу жолағы 100 ГГц-тен жоғары фотодетекторлар қажет.

Жақсартылған интеграция: III-V материалы мен кремнийдің бір чипті интеграциясы; Жетілдірілген 3D интеграция технологиясы.

Жаңа материалдар: өте жылдам жарықты анықтау үшін екі өлшемді материалдарды (мысалы, графен) зерттеу; Толқын ұзындығын ұзарту үшін жаңа IV топ қорытпасы.

Дамып келе жатқан қолданбалар: LiDAR және басқа да сезгіш қолданбалар APD дамуын ынталандырады; Жоғары сызықтық фотодетекторларды қажет ететін микротолқынды фотонды қолданбалар.

Жоғары жылдамдықты фотодетекторлар, әсіресе Ge немесе Si фотодетекторлары кремний негізіндегі оптоэлектроника мен келесі ұрпақ оптикалық байланысының негізгі драйверіне айналды. Болашақ деректер орталықтары мен телекоммуникация желілерінің өткізу қабілетіне деген өсіп келе жатқан талаптарын қанағаттандыру үшін материалдардағы, құрылғыларды жобалаудағы және интеграциялық технологиялардағы үздіксіз жетістіктер маңызды. Өріс дамуын жалғастыра отырып, біз өткізу қабілеттілігі жоғары, шу деңгейі төмен және электронды және фотоникалық схемалармен үздіксіз интеграцияланған фотодетекторларды көреміз деп күтуге болады.