Кремний негізіндегі оптоэлектроника үшін кремний фотодетекторлары (Si фотодетекторы)

Кремний негізіндегі оптоэлектроника үшін кремний фотодетекторлары

Фотодетекторларжарық сигналдарын электрлік сигналдарға түрлендіру, және деректерді беру жылдамдығы жақсара берген сайын, кремний негізіндегі оптоэлектроника платформаларымен біріктірілген жоғары жылдамдықты фотодетекторлар келесі буын деректер орталықтары мен телекоммуникация желілері үшін маңызды рөл атқарды. Бұл мақалада кремний негізіндегі германийге (Ge немесе Si фотодетекторы) баса назар аудара отырып, озық жоғары жылдамдықты фотодетекторларға шолу жасалады.кремний фотодетекторларыинтеграцияланған оптоэлектроника технологиясы үшін.

Германий кремний платформаларында жақын инфрақызыл жарықты анықтау үшін тартымды материал болып табылады, себебі ол CMOS процестерімен үйлесімді және телекоммуникациялық толқын ұзындықтарында өте күшті сіңіруге ие. Ge/Si фотодетекторының ең көп таралған құрылымы - түйреуішті диод, онда ішкі германий P-типті және N-типті аймақтар арасында орналасқан.

Құрылғы құрылымы 1-суретте әдеттегі тік Ge немесе түйреуіші көрсетілген.Si фотодетекторықұрылым:

Негізгі ерекшеліктеріне мыналар жатады: кремний негізінде өсірілген германийді сіңіретін қабат; Заряд тасымалдаушылардың p және n контактілерін жинау үшін қолданылады; Жарықты тиімді сіңіру үшін толқындық байланыс.

Эпитаксиалды өсу: Кремнийде жоғары сапалы германий өсіру екі материал арасындағы 4,2% тор сәйкессіздігіне байланысты қиындық тудырады. Әдетте екі сатылы өсу процесі қолданылады: төмен температурада (300-400°C) буфер қабатының өсуі және германийдің жоғары температурада (600°C-тан жоғары) тұндырылуы. Бұл әдіс тор сәйкессіздіктерінен туындаған бұранданың шығуын бақылауға көмектеседі. 800-900°C температурада өскеннен кейін күйдіру бұранданың шығу тығыздығын шамамен 10^7 см^-2 дейін төмендетеді. Өнімділік сипаттамалары: Ең озық Ge/Si PIN фотодетекторы мыналарға қол жеткізе алады: сезімталдық, 1550 нм-де > 0,8A /W; өткізу қабілеттілігі, >60 ГГц; қараңғы ток, -1 В ығысуында <1 мкА.

Кремний негізіндегі оптоэлектроника платформаларымен интеграция

Интеграциясыжоғары жылдамдықты фотодетекторларКремний негізіндегі оптоэлектроника платформалары озық оптикалық қабылдағыш-таратқыштар мен өзара байланыстыруға мүмкіндік береді. Екі негізгі интеграция әдісі келесідей: Алдыңғы интеграция (FEOL), мұнда фотодетектор мен транзистор бір уақытта кремний негізінде жасалады, бұл жоғары температурада өңдеуге мүмкіндік береді, бірақ чип аймағын алады. Артқы интеграция (BEOL). Фотодетекторлар CMOS кедергісін болдырмау үшін металлдың үстіне жасалады, бірақ өңдеу температурасының төмендеуімен шектеледі.

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

Деректер орталығының қосымшасы

Жоғары жылдамдықты фотодетекторлар деректер орталығының келесі буын өзара байланысының негізгі құрамдас бөлігі болып табылады. Негізгі қолданыстарға мыналар жатады: оптикалық қабылдағыш-таратқыштар: 100G, 400G және одан жоғары жылдамдықтар, PAM-4 модуляциясын қолданады; Aжоғары өткізу қабілетті фотодетектор(>50 ГГц) қажет.

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

Таратылған архитектура: таратылған есептеу, сақтау және сақтау арасындағы оптикалық өзара байланыс; Энергияны үнемдейтін, жоғары өткізу қабілетті фотодетекторларға сұранысты арттыру.

Болашаққа көзқарас

Интеграцияланған оптоэлектронды жоғары жылдамдықты фотодетекторлардың болашағы келесі үрдістерді көрсетеді:

Деректер беру жылдамдығының жоғарылауы: 800G және 1.6T қабылдағыш-таратқыштарының дамуын жеделдету; 100 ГГц-тен асатын өткізу қабілеті бар фотодетекторлар қажет.

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

Жаңа материалдар: аса жылдам жарықты анықтау үшін екі өлшемді материалдарды (мысалы, графен) зерттеу; толқын ұзындығын кеңейтуге арналған IV топтың жаңа қорытпасы.

Жаңадан пайда болып жатқан қолданбалар: LiDAR және басқа да сенсорлық қолданбалар APD дамуын қозғаушы күш болып табылады; жоғары сызықтық фотодетекторларды қажет ететін микротолқынды фотондық қолданбалар.

Жоғары жылдамдықты фотодетекторлар, әсіресе Ge немесе Si фотодетекторлары, кремний негізіндегі оптоэлектроника мен келесі буын оптикалық байланысының негізгі қозғаушы күшіне айналды. Болашақ деректер орталықтары мен телекоммуникация желілерінің өсіп келе жатқан өткізу қабілетіне деген сұранысын қанағаттандыру үшін материалдар, құрылғыларды жобалау және интеграциялау технологияларындағы үздіксіз жетістіктер маңызды. Бұл сала дамып келе жатқандықтан, өткізу қабілеті жоғары, шуы төмен және электрондық және фотондық тізбектермен үздіксіз интеграцияланатын фотодетекторларды көруге болады деп күтуге болады.