Ränipõhise optoelektroonika jaoks, räni fotodetektorid (Si fotodetektor)

Ränipõhise optoelektroonika jaoks, räni fotodetektorid

Fotodetektoridteisendavad valgussignaale elektrilisteks signaalideks ja andmeedastuskiiruse pideva paranemise tõttu on ränipõhiste optoelektroonikaplatvormidega integreeritud kiired fotodetektorid muutunud järgmise põlvkonna andmekeskuste ja telekommunikatsioonivõrkude võtmeks. See artikkel annab ülevaate täiustatud kiiretest fotodetektoritest, rõhuasetusega ränipõhisel germaaniumil (Ge või Si fotodetektor).räni fotodetektoridintegreeritud optoelektroonika tehnoloogia jaoks.

Germaanium on atraktiivne materjal lähiinfrapunavalguse tuvastamiseks räniplatvormidel, kuna see ühildub CMOS-protsessidega ja omab äärmiselt tugevat neeldumist telekommunikatsiooni lainepikkustel. Kõige levinum Ge/Si fotodetektori struktuur on nõeldiood, milles sisemine germaanium asub P-tüüpi ja N-tüüpi piirkondade vahel.

Seadme struktuur Joonisel 1 on kujutatud tüüpilist vertikaalset tihvti Ge võiSi fotodetektorstruktuur:

Peamised omadused on järgmised: ränisubstraadile kasvatatud germaaniumi neelav kiht; kasutatakse laengukandjate p- ja n-kontaktide kogumiseks; lainejuht-sidestus efektiivseks valguse neeldumiseks.

Epitaksiaalne kasv: Kvaliteetse germaaniumi kasvatamine räni pinnal on keeruline kahe materjali 4,2% võre mittevastavuse tõttu. Tavaliselt kasutatakse kaheastmelist kasvuprotsessi: puhverkihi kasv madalal temperatuuril (300–400 °C) ja germaaniumi sadestamine kõrgel temperatuuril (üle 600 °C). See meetod aitab kontrollida võre mittevastavuste põhjustatud keermestamise dislokatsioone. Kasvatamisejärgne lõõmutamine temperatuuril 800–900 °C vähendab keermestamise dislokatsiooni tihedust veelgi umbes 10^7 cm^-2-ni. Jõudlusnäitajad: Kõige kaasaegsem Ge/Si PIN-fotodetektor suudab saavutada: reageerimisvõime, > 0,8 A /W lainepikkusel 1550 nm; ribalaius, >60 GHz; tumevool, <1 μA eelpinge juures -1 V.

Integreerimine ränipõhiste optoelektroonikaplatvormidega

Integratsioonkiired fotodetektoridRänipõhiste optoelektroonikaplatvormidega on võimalik luua täiustatud optilisi transiivereid ja ühendusi. Kaks peamist integreerimismeetodit on järgmised: esiotsa integreerimine (FEOL), kus fotodetektor ja transistor valmistatakse samaaegselt ränisubstraadile, mis võimaldab kõrgel temperatuuril töötlemist, kuid võtab kiibi pinda. Tagaotsa integreerimine (BEOL). Fotodetektorid valmistatakse metalli peale, et vältida CMOS-i häireid, kuid nende töötlemistemperatuurid on piiratud madalamatega.

Joonis 2: Kiire Ge/Si fotodetektori reageerimisvõime ja ribalaius

Andmekeskuse rakendus

Kiired fotodetektorid on järgmise põlvkonna andmekeskuste ühenduste võtmekomponent. Peamised rakendused hõlmavad järgmist: optilised transiiverid: 100G, 400G ja suuremad kiirused, kasutades PAM-4 modulatsiooni; Asuure ribalaiusega fotodetektor(>50 GHz) on nõutav.

Ränipõhine optoelektrooniline integraallülitus: detektori monoliitne integreerimine modulaatori ja muude komponentidega; kompaktne ja suure jõudlusega optiline mootor.

Hajutatud arhitektuur: optiline ühendus hajutatud andmetöötluse, salvestuse ja salvestusruumi vahel; Energiatõhusate ja suure ribalaiusega fotodetektorite nõudluse suurendamine.

Tulevikuväljavaated

Integreeritud optoelektrooniliste kiirete fotodetektorite tulevik näitab järgmisi trende:

Suuremad andmeedastuskiirused: 800G ja 1.6T transiiver-vastuvõtjate arendamise edendamine; Vaja on fotodetektoreid ribalaiusega üle 100 GHz.

Täiustatud integratsioon: III-V materjali ja räni ühekiibiline integratsioon; Täiustatud 3D-integratsioonitehnoloogia.

Uued materjalid: kahemõõtmeliste materjalide (näiteks grafeeni) uurimine ülikiire valguse tuvastamiseks; uus IV rühma sulam laiendatud lainepikkuse katvuse saavutamiseks.

Tärkavad rakendused: LiDAR ja muud sensorirakendused on APD arengut soodustavad; mikrolaine-footonrakendused, mis nõuavad suure lineaarsusega fotodetektoreid.

Kiired fotodetektorid, eriti Ge- või Si-fotodetektorid, on muutunud ränipõhise optoelektroonika ja järgmise põlvkonna optilise side peamiseks edasiviivaks jõuks. Materjalide, seadmete disaini ja integratsioonitehnoloogiate jätkuv areng on oluline, et rahuldada tulevaste andmekeskuste ja telekommunikatsioonivõrkude kasvavaid ribalaiuse nõudmisi. Valdkonna edasi arenedes võime oodata fotodetektoreid, millel on suurem ribalaius, madalam müra ja mis integreeruvad sujuvalt elektrooniliste ja footonahelatega.