Για οπτοηλεκτρονικά με βάση το πυρίτιο, φωτοανιχνευτές πυριτίου (φωτοανιχνευτής Si)

Για οπτοηλεκτρονικά με βάση το πυρίτιο, φωτοανιχνευτές πυριτίου

Φωτοανιχνευτέςμετατρέπουν τα φωτεινά σήματα σε ηλεκτρικά σήματα και, καθώς οι ρυθμοί μεταφοράς δεδομένων συνεχίζουν να βελτιώνονται, οι φωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτητας που ενσωματώνονται σε πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικής με βάση το πυρίτιο έχουν γίνει το κλειδί για τα κέντρα δεδομένων και τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα επόμενης γενιάς. Αυτό το άρθρο θα παρέχει μια επισκόπηση των προηγμένων φωτοανιχνευτών υψηλής ταχύτητας, με έμφαση στο γερμάνιο με βάση το πυρίτιο (φωτοανιχνευτής Ge ή Si).φωτοανιχνευτές πυριτίουγια την ολοκληρωμένη οπτοηλεκτρονική τεχνολογία.

Το γερμάνιο είναι ένα ελκυστικό υλικό για την ανίχνευση φωτός εγγύς υπέρυθρης ακτινοβολίας σε πλατφόρμες πυριτίου, επειδή είναι συμβατό με διεργασίες CMOS και έχει εξαιρετικά ισχυρή απορρόφηση σε μήκη κύματος τηλεπικοινωνιών. Η πιο κοινή δομή φωτοανιχνευτή Ge/Si είναι η δίοδος ακίδων, στην οποία το εγγενές γερμάνιο βρίσκεται ανάμεσα στις περιοχές τύπου P και N.

Δομή συσκευής Το Σχήμα 1 δείχνει μια τυπική κατακόρυφη καρφίτσα Ge ήΦωτοανιχνευτής Siδομή:

Τα κύρια χαρακτηριστικά περιλαμβάνουν: στρώμα απορρόφησης γερμανίου που αναπτύσσεται σε υπόστρωμα πυριτίου· Χρήση για τη συλλογή επαφών p και n των φορέων φορτίου· Σύζευξη κυματοδηγού για αποτελεσματική απορρόφηση φωτός.

Επιταξιακή ανάπτυξη: Η καλλιέργεια γερμανίου υψηλής ποιότητας σε πυρίτιο είναι δύσκολη λόγω της αναντιστοιχίας πλέγματος 4,2% μεταξύ των δύο υλικών. Συνήθως χρησιμοποιείται μια διαδικασία ανάπτυξης δύο σταδίων: ανάπτυξη ρυθμιστικού στρώματος σε χαμηλή θερμοκρασία (300-400°C) και εναπόθεση γερμανίου σε υψηλή θερμοκρασία (πάνω από 600°C). Αυτή η μέθοδος βοηθά στον έλεγχο των εξάρσεων σπειρώματος που προκαλούνται από αναντιστοιχίες πλέγματος. Η ανόπτηση μετά την ανάπτυξη στους 800-900°C μειώνει περαιτέρω την πυκνότητα εξάρσεων σπειρώματος σε περίπου 10^7 cm^-2. Χαρακτηριστικά απόδοσης: Ο πιο προηγμένος φωτοανιχνευτής Ge/Si PIN μπορεί να επιτύχει: απόκριση, > 0,8A/W στα 1550 nm. Εύρος ζώνης, >60 GHz. Ρεύμα σκότους, <1 μA σε πόλωση -1 V.

Ενσωμάτωση με πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικής που βασίζονται στο πυρίτιο

Η ενσωμάτωση τουφωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτηταςμε πλατφόρμες οπτοηλεκτρονικής που βασίζονται στο πυρίτιο επιτρέπει την ανάπτυξη προηγμένων οπτικών πομποδεκτών και διασυνδέσεων. Οι δύο κύριες μέθοδοι ολοκλήρωσης είναι οι εξής: Ενσωμάτωση front-end (FEOL), όπου ο φωτοανιχνευτής και το τρανζίστορ κατασκευάζονται ταυτόχρονα σε ένα υπόστρωμα πυριτίου που επιτρέπει την επεξεργασία σε υψηλή θερμοκρασία, αλλά καταλαμβάνει χώρο στο τσιπ. Ενσωμάτωση back-end (BEOL). Οι φωτοανιχνευτές κατασκευάζονται πάνω από το μέταλλο για να αποφεύγονται οι παρεμβολές με το CMOS, αλλά περιορίζονται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες επεξεργασίας.

Σχήμα 2: Απόκριση και εύρος ζώνης ενός φωτοανιχνευτή Ge/Si υψηλής ταχύτητας

Εφαρμογή κέντρου δεδομένων

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

Οπτοηλεκτρονικό ολοκληρωμένο κύκλωμα με βάση το πυρίτιο: μονολιθική ενσωμάτωση ανιχνευτή με διαμορφωτή και άλλα εξαρτήματα· Μια συμπαγής, υψηλής απόδοσης οπτική μηχανή.

Κατανεμημένη αρχιτεκτονική: οπτική διασύνδεση μεταξύ κατανεμημένων υπολογιστών, αποθήκευσης και αποθήκευσης· Αύξηση της ζήτησης για ενεργειακά αποδοτικούς φωτοανιχνευτές υψηλού εύρους ζώνης.

Μελλοντικές προοπτικές

Το μέλλον των ολοκληρωμένων οπτοηλεκτρονικών φωτοανιχνευτών υψηλής ταχύτητας θα δείξει τις ακόλουθες τάσεις:

Υψηλότεροι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων: Οδηγώντας την ανάπτυξη πομποδεκτών 800G και 1.6T. Απαιτούνται φωτοανιχνευτές με εύρος ζώνης μεγαλύτερο από 100 GHz.

Βελτιωμένη ενσωμάτωση: Ενσωμάτωση υλικού III-V και πυριτίου σε ένα μόνο τσιπ· Προηγμένη τεχνολογία τρισδιάστατης ενσωμάτωσης.

Νέα υλικά: Εξερεύνηση δισδιάστατων υλικών (όπως το γραφένιο) για εξαιρετικά γρήγορη ανίχνευση φωτός· Ένα νέο κράμα Ομάδας IV για εκτεταμένη κάλυψη μήκους κύματος.

Αναδυόμενες εφαρμογές: Το LiDAR και άλλες εφαρμογές ανίχνευσης οδηγούν στην ανάπτυξη της APD. Εφαρμογές φωτονίων μικροκυμάτων που απαιτούν φωτοανιχνευτές υψηλής γραμμικότητας.

Οι φωτοανιχνευτές υψηλής ταχύτητας, ειδικά οι φωτοανιχνευτές Ge ή Si, έχουν γίνει βασικός μοχλός της οπτοηλεκτρονικής με βάση το πυρίτιο και των οπτικών επικοινωνιών επόμενης γενιάς. Οι συνεχείς εξελίξεις στα υλικά, τον σχεδιασμό συσκευών και τις τεχνολογίες ολοκλήρωσης είναι σημαντικές για την κάλυψη των αυξανόμενων απαιτήσεων εύρους ζώνης των μελλοντικών κέντρων δεδομένων και των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Καθώς ο τομέας συνεχίζει να εξελίσσεται, μπορούμε να περιμένουμε να δούμε φωτοανιχνευτές με υψηλότερο εύρος ζώνης, χαμηλότερο θόρυβο και απρόσκοπτη ενσωμάτωση με ηλεκτρονικά και φωτονικά κυκλώματα.