Ränipõhise optoelektroonika jaoks räni fotodetektorid (SI Photodetector)

Ränipõhise optoelektroonika jaoks räni fotodetektorid

FotodetektoridValgussignaalid teisendage elektrilised signaalid ja kuna andmeedastuskiirused on jätkuvalt paranenud, on ränipõhiste optoelektroonikaplatvormidega integreeritud kiired fotodetektorid muutunud järgmise põlvkonna andmekeskuste ja telekommunikatsioonivõrkude võtmeks. See artikkel annab ülevaate täiustatud kiiretest fotodetektoritest, rõhuasetusega ränipõhisele germaaniumile (GE või Si Photodetector)räni fotodetektoridintegreeritud optoelektroonika tehnoloogia jaoks.

Germanium on atraktiivne materjal räniplatvormidel infrapunavalguse lähedal, kuna see ühildub CMOS -protsessidega ja sellel on eriti tugev imendumine telekommunikatsiooni lainepikkustel. Kõige tavalisem GE/SI fotodetektori struktuur on tihvti diood, milles sisemine germaanium on P-tüüpi ja N-tüüpi piirkondade vahel.

Seadme struktuur Joonis 1 näitab tüüpilist vertikaalset tihvti GE võiSi fotodetektorStruktuur:

Peamised omadused hõlmavad järgmist: germaaniumi neelduv kiht, mida kasvatatakse räni substraadil; Kasutatakse P- ja N -kontaktide kogumiseks; Lainejuhi ühendamine valguse tõhusaks imendumiseks.

Epitaksiaalne kasv: Räni kvaliteetse germaaniumi kasvamine on keeruline tänu kahe materjali 4,2% -lise võre mittevastavuse tõttu. Tavaliselt kasutatakse kaheastmelist kasvuprotsessi: madal temperatuur (300–400 ° C) puhverkihi kasv ja kõrge temperatuur (üle 600 ° C) germaaniumi sadestumine. See meetod aitab kontrollida võre ebakõladest põhjustatud keermestamise nihestusi. Kasvujärgne lõõmutamine temperatuuril 800–900 ° C vähendab veelgi keermestamise dislokatsiooni tihedust umbes 10^7 cm^-2-ni. Jõudlusomadused: kõige arenenum GE /SI PIN -i fotodetektor võib saavutada: reageerimisvõime,> 0,8A /W kiirusel 1550 nm; Ribalaius,> 60 GHz; Tume vool, <1 μA temperatuuril -1 V kallutatus.

Integreerimine ränipõhiste optoelektroonikaplatvormidega

Integreeriminekiire fotodetektoridRänipõhise optoelektroonikaga platvormid võimaldavad täiustatud optilisi transiiveriid ja ühendusi. Kaks peamist integreerimismeetodit on järgmised: esiotsa integreerimine (FEOL), kus fotodetektor ja transistor on samaaegselt toodetud räni substraadil, mis võimaldab kõrge temperatuuri töötlemist, kuid võttes kasutusele kiibi. Tagajärg integreerimine (BEOL). Fotodetektoreid valmistatakse metalli peal, et vältida CMO -de häireid, kuid need piirduvad madalama töötlemistemperatuuriga.

Joonis 2: Kiire GE/SI fotodetektori reageerimisvõime ja ribalaius

Andmekeskuse rakendus

Kiire fotodetektorid on järgmise põlvkonna andmekeskuse ühendamise põhikomponent. Peamiste rakenduste hulka kuuluvad: optilised transiiverid: 100 g, 400 g ja kõrgemad kiirused, kasutades PAM-4 modulatsiooni; Akõrge ribalaiusega fotodetektor(> 50 GHz) on vajalik.

Ränipõhine optoelektrooniline integreeritud vooluring: detektori monoliitne integreerimine modulaatori ja muude komponentidega; Kompaktne, suure jõudlusega optiline mootor.

Hajutatud arhitektuur: optiline ühendus hajutatud arvutuse, salvestusruumi ja salvestusruumi vahel; Juba energiatõhusate nõudluse suurendamine suure ribalaiusega fotodetektorite järele.

Tulevikuväljavaade

Integreeritud optoelektrooniliste kiirete fotodetektorite tulevik näitab järgmisi suundumusi:

Kõrgemad andmeedastuskiirused: 800 g ja 1,6T transiiveri arendamise juhtimine; Vajalik on fotodetektorid, mille ribalaius on suurem kui 100 GHz.

Täiustatud integratsioon: III-V materjali ja räni ühe kiibi integreerimine; Täiustatud 3D -integratsioonitehnoloogia.

Uued materjalid: kahemõõtmeliste materjalide (näiteks grafeen) uurimine ultrafastide tuvastamiseks; Uus grupi IV sulam laiendatud lainepikkuse katvuse tagamiseks.

Tekkivad rakendused: Lidar ja muud sensatsioonirakendused juhivad APD arengut; Mikrolainete footonirakendused, mis vajavad kõrge lineaarsusega fotodetektoreid.

Kiire fotodetektorid, eriti GE või Si fotodetektorid, on saanud ränipõhise optoelektroonika ja järgmise põlvkonna optilise kommunikatsiooni võtmeisikuks. Materjalide, seadme kujundamise ja integratsioonitehnoloogiate jätkuvad edusammud on olulised, et täita tulevaste andmekeskuste ja telekommunikatsioonivõrkude kasvavate ribalaiuse nõudmiste täitmiseks. Väli arenedes võime oodata suurema ribalaiuse, madalama müra ja sujuva integreerimise fotodetektoreid elektrooniliste ja fotooniliste vooluahelatega.