Για οπτικοηλεκτρονικά με βάση το πυρίτιο, φωτοανιχνευτές πυριτίου (φωτοανιχνευτή SI)

Για οπτικοηλεκτρονικά με βάση το πυρίτιο, φωτοανιχνευτές πυριτίου

ΦωτοανόδυροιΜετατρέψτε τα σήματα φωτός σε ηλεκτρικά σήματα και καθώς τα ποσοστά μεταφοράς δεδομένων συνεχίζουν να βελτιώνουν, τα φωτοανιχνευτή υψηλής ταχύτητας που ενσωματώνονται με πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικών με βάση το πυρίτιο έχουν γίνει το κλειδί για τα κέντρα δεδομένων επόμενης γενιάς και τα δίκτυα τηλεπικοινωνιών. Αυτό το άρθρο θα παρέχει μια επισκόπηση των προηγμένων φωτοανιχνευτών υψηλής ταχύτητας, με έμφαση στο γερμανικό που βασίζεται σε πυρίτιο (GE ή SI PhotoDetector)φωτοανιχνευτές πυριτίουγια την ολοκληρωμένη τεχνολογία οπτοηλεκτρονικής.

Το Germanium είναι ένα ελκυστικό υλικό για ανίχνευση φωτός κοντά σε πλατφόρμες πυριτίου, επειδή είναι συμβατό με τις διαδικασίες CMOS και έχει εξαιρετικά ισχυρή απορρόφηση στα μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών. Η πιο συνηθισμένη δομή φωτοανιχνευτή GE/SI είναι η δίοδος PIN, στην οποία το εγγενές γερμανικό είναι σάντουιτς μεταξύ των περιοχών τύπου Ρ και Ν.

Δομή συσκευής Σχήμα 1 δείχνει μια τυπική κατακόρυφη πείρος GE ήΦωτοανιχνευτήςδομή:

Τα κύρια χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν: στρώμα απορρόφησης γερμανίου που αναπτύσσεται σε υπόστρωμα πυριτίου. Χρησιμοποιείται για τη συλλογή επαφών P και N των φορέων φόρτισης. Ζεύγος κυματοδηγού για αποτελεσματική απορρόφηση φωτός.

Επιδαξιακή ανάπτυξη: Η αυξανόμενη γερμανική υψηλής ποιότητας στο πυρίτιο είναι προκλητική λόγω της αναντιστοιχίας πλέγματος 4,2% μεταξύ των δύο υλικών. Χρησιμοποιείται συνήθως μια διαδικασία ανάπτυξης δύο σταδίων: η ανάπτυξη του ρυθμιστικού στρώματος χαμηλής θερμοκρασίας (300-400 ° C) και η εναπόθεση υψηλής θερμοκρασίας (πάνω από 600 ° C) του γερμανίου. Αυτή η μέθοδος συμβάλλει στον έλεγχο των εξάρσεων των σπειρωμάτων που προκαλούνται από αναντιστοιχίες πλέγματος. Η ανόπτηση μετά την ανάπτυξη στους 800-900 ° C μειώνει περαιτέρω την πυκνότητα εξάρθρωσης σπειρώματος σε περίπου 10^7 cm^-2. Χαρακτηριστικά απόδοσης: Ο πιο προηγμένος φωτοανιχνευτής GE /SI μπορεί να επιτύχει: απόκριση,> 0.8a /w στα 1550 nm, Εύρος ζώνης,> 60 GHz. Σκούρο ρεύμα, <1 μΑ με προκατάληψη -1 V.

Ενσωμάτωση με πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικής με βάση το πυρίτιο

Την ενσωμάτωσηφωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτηταςμε πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικής που βασίζονται σε πυρίτιο, επιτρέπουν τους προηγμένους οπτικούς πομποδέκτες και διασυνδέσεις. Οι δύο κύριες μέθοδοι ενσωμάτωσης έχουν ως εξής: ενσωμάτωση μπροστινού άκρου (FEOL), όπου ο φωτοανιχνευτής και το τρανζίστορ κατασκευάζονται ταυτόχρονα σε ένα υπόστρωμα πυριτίου που επιτρέπει επεξεργασία υψηλής θερμοκρασίας, αλλά λαμβάνοντας την περιοχή Chip. Ενσωμάτωση back-end (BEOL). Οι φωτοανιχνευτές κατασκευάζονται πάνω από το μέταλλο για να αποφευχθούν οι παρεμβολές με CMOS, αλλά περιορίζονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες επεξεργασίας.

Εικόνα 2: Αντίδραση και εύρος ζώνης ενός φωτοανιχνευτή GE/SI υψηλής ταχύτητας

Εφαρμογή κέντρου δεδομένων

Οι φωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτητας αποτελούν βασικό στοιχείο στην επόμενη γενιά διασύνδεσης του κέντρου δεδομένων. Οι κύριες εφαρμογές περιλαμβάνουν: οπτικούς πομποδέκτες: 100g, 400g και υψηλότερους ρυθμούς, χρησιμοποιώντας τη διαμόρφωση PAM-4. ΕΝΑφωτοανιχνευτής υψηλού εύρους ζώνης(> 50 GHz) απαιτείται.

Οπτικοηλεκτρονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα με βάση το πυρίτιο: μονολιθική ενσωμάτωση του ανιχνευτή με διαμορφωτή και άλλα συστατικά. Ένας συμπαγής, οπτικός κινητήρας υψηλής απόδοσης.

Κατανεμημένη Αρχιτεκτονική: Οπτική διασύνδεση μεταξύ κατανεμημένης υπολογιστικής, αποθήκευσης και αποθήκευσης. Οδηγώντας τη ζήτηση για ενεργειακά αποδοτικά φωτοανθεκτικά υψηλού εύρους ζώνης.

Μελλοντικές προοπτικές

Το μέλλον των ολοκληρωμένων φωτοηλεκτρονικών φωτοανιχνευτών υψηλής ταχύτητας θα παρουσιάσει τις ακόλουθες τάσεις:

Υψηλότερα ποσοστά δεδομένων: Οδήγηση της ανάπτυξης 800G και 1,6T πομποδέκτες. Απαιτούνται φωτοανιχνευτές με εύρος ζώνης μεγαλύτερα από 100 GHz.

Βελτιωμένη ενσωμάτωση: ενσωμάτωση μεμονωμένων τσιπ του υλικού III-V και του πυριτίου. Προηγμένη τεχνολογία ενσωμάτωσης 3D.

Νέα υλικά: Εξερεύνηση δισδιάστατων υλικών (όπως graphene) για ανίχνευση φωτός εξαιρετικά γρήγορου. Ένα νέο κράμα ομάδας IV για κάλυψη εκτεταμένου μήκους κύματος.

Αναδυόμενες εφαρμογές: Το LIDAR και άλλες εφαρμογές ανίχνευσης οδηγούν την ανάπτυξη του APD. Εφαρμογές φωτονίων μικροκυμάτων που απαιτούν φωτοανιχνευτή υψηλής γραμμικότητας.

Οι φωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτητας, ειδικά οι φωτοανιχνευτές GE ή SI, έχουν γίνει βασικός οδηγός οπτοηλεκτρονικών με βάση το πυρίτιο και οπτικών επικοινωνιών επόμενης γενιάς. Οι συνεχιζόμενες εξελίξεις στις τεχνολογίες υλικών, σχεδιασμού συσκευών και ενσωμάτωσης είναι σημαντικές για την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων εύρους ζώνης των μελλοντικών κέντρων δεδομένων και των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Καθώς το πεδίο συνεχίζει να εξελίσσεται, μπορούμε να περιμένουμε να βλέπουμε φωτοανιχνευτές με υψηλότερο εύρος ζώνης, χαμηλότερο θόρυβο και απρόσκοπτη ενσωμάτωση με ηλεκτρονικά και φωτονικά κυκλώματα.