Fir Siliziumbaséiert Optoelektronik, Silizium-Fotodetektoren (Si-Fotodetektor)

Fir Siliziumbaséiert Optoelektronik, Silizium-Fotodetektoren

Fotodetektorenkonvertéiere Liichtsignaler an elektresch Signaler, an well d'Dateniwwerdroungsraten sech weider verbesseren, sinn Héichgeschwindegkeets-Photodektoren, déi mat Silizium-baséierten Optoelektronikplattforme integréiert sinn, de Schlëssel fir Datenzentren an Telekommunikatiounsnetzwierker vun der nächster Generatioun ginn. Dësen Artikel gëtt en Iwwerbléck iwwer fortgeschratt Héichgeschwindegkeets-Photodektoren, mat Schwéierpunkt op Silizium-baséiert Germanium (Ge- oder Si-Photodektor)Silizium-Fotodetektorenfir integréiert Optoelektroniktechnologie.

Germanium ass e attraktivt Material fir d'Detektioun vum noen Infraroutliicht op Siliziumplattformen, well et kompatibel mat CMOS-Prozesser ass an eng extrem staark Absorptioun bei Telekommunikatiounswellelängten huet. Déi heefegst Ge/Si-Fotodetektorstruktur ass d'Pin-Diod, bei där dat intrinsescht Germanium tëscht de P-Typ- an N-Typ-Regiounen ageklemmt ass.

Struktur vum Apparat Figur 1 weist e typesche vertikale Pin Ge oderSi-FotodetektorStruktur:

Zu den Haaptmerkmale gehéieren: eng Germanium-absorbéierend Schicht, déi op engem Siliziumsubstrat ugebaut gëtt; benotzt fir p- an n-Kontakter vu Ladungsträger ze sammelen; Wellenleiterkupplung fir effizient Liichtabsorptioun.

Epitaktesch Wuesstem: D'Wuesstem vun héichwäertegem Germanium op Silizium ass eng Erausfuerderung wéinst der 4,2% Gittermismatch tëscht den zwou Materialien. Normalerweis gëtt e Wuesstemsprozess a zwou Schrëtt benotzt: Wuesstem vun der Pufferschicht bei niddreger Temperatur (300-400°C) an Oflagerung vu Germanium bei héijer Temperatur (iwwer 600°C). Dës Method hëlleft, d'Gewënnverrécklungen ze kontrolléieren, déi duerch Gittermismatches verursaacht ginn. D'Nowuessglühung bei 800-900°C reduzéiert d'Gewënnverrécklungsdicht weider op ongeféier 10^7 cm^-2. Leistungseigenschaften: Dee fortgeschrattsten Ge/Si PIN-Fotodetektor kann erreechen: Reaktiounsfäegkeet, > 0,8A /W bei 1550 nm; Bandbreet, >60 GHz; Däischterstroum, <1 μA bei -1 V Bias.

Integratioun mat Silizium-baséierten Optoelektronikplattformen

D'Integratioun vunHéichgeschwindegkeets-FotodetektorenMat Silizium-baséierten Optoelektronikplattforme kënnen fortgeschratt optesch Transceiver a Verbindungsverbindungen entwéckelt ginn. Déi zwou Haaptintegratiounsmethoden sinn folgend: Front-End-Integratioun (FEOL), wou de Photodetektor an den Transistor gläichzäiteg op engem Siliziumsubstrat hiergestallt ginn, wat eng héichtemperaturéiert Veraarbechtung erméiglecht, awer eng Chipfläch an Usproch hëlt. Back-End-Integratioun (BEOL). Photodetektoren ginn uewen um Metall hiergestallt, fir Interferenzen mam CMOS ze vermeiden, awer si limitéiert op méi niddreg Veraarbechtungstemperaturen.

Figur 2: Reaktiounsfäegkeet a Bandbreet vun engem Héichgeschwindegkeets-Ge/Si-Fotodetektor

Applikatioun fir Datenzentren

Héichgeschwindegkeets-Fotodetektoren sinn eng Schlësselkomponent an der nächster Generatioun vun der Verbindung vun Datenzentren. Zu den Haaptapplikatioune gehéieren: optesch Transceiver: 100G, 400G a méi héich Raten, mat PAM-4 Modulatioun; AHéichbandbreet-Fotodetektor(>50 GHz) ass erfuerderlech.

Siliziumbaséiert optoelektronesch integréiert Schaltung: monolithesch Integratioun vum Detektor mat Modulator an anere Komponenten; E kompakten, héichperformante optesche Motor.

Verdeelt Architektur: optesch Verbindung tëscht verdeeltem Rechenbereich, Späicherung a Späicherung; D'Nofro fir energieeffizient Photodetektoren mat héijer Bandbreet stäerken.

Zukunftsausbléck

D'Zukunft vun integréierten optoelektroneschen Héichgeschwindegkeets-Fotodetektoren wäert déi folgend Trends weisen:

Méi héich Datenraten: D'Entwécklung vun 800G- an 1.6T-Transceiver gëtt ënnerstëtzt; Photodetektoren mat Bandbreeten iwwer 100 GHz sinn erfuerderlech.

Verbessert Integratioun: Eenzelchipintegratioun vun III-V Material a Silizium; Fortgeschratt 3D Integratiounstechnologie.

Nei Materialien: D'Erfuerschung vun zweedimensionalen Materialien (wéi Graphen) fir ultraschnell Liichtdetektioun; Eng nei Grupp IV-Legierung fir eng vergréissert Wellelängteofdeckung.

Nei Uwendungen: LiDAR an aner Sensorapplikatioune dreiwen d'Entwécklung vun APD; Mikrowellenphotonapplikatioune mat héijer Linearitéit.

Héichgeschwindegkeets-Fotodetekteren, besonnesch Ge- oder Si-Fotodetekteren, sinn zu engem Schlësselmotor fir Silizium-baséiert Optoelektronik an optesch Kommunikatioun vun der nächster Generatioun ginn. Weider Fortschrëtter a Materialien, Apparatdesign an Integratiounstechnologien si wichteg fir den wuessenden Ufuerderunge u Bandbreet vun zukünftegen Datenzentren an Telekommunikatiounsnetzwierker gerecht ze ginn. Mat der weiderer Entwécklung vum Beräich kënne mir erwaarden, datt mir Fotodetekteren mat méi héijer Bandbreet, manner Geräischer an enger nahtloser Integratioun mat elektroneschen a photonesche Schaltungen gesinn.