För kiselbaserad optoelektronik, kiselfotodetektorer
Fotodetektoreromvandlar ljussignaler till elektriska signaler, och i takt med att dataöverföringshastigheterna fortsätter att förbättras har höghastighetsfotodetektorer integrerade med kiselbaserade optoelektroniska plattformar blivit nyckeln till nästa generations datacenter och telekommunikationsnätverk. Den här artikeln ger en översikt över avancerade höghastighetsfotodetektorer, med betoning på kiselbaserat germanium (Ge- eller Si-fotodetektor)kiselfotodetektorerför integrerad optoelektronikteknik.
Germanium är ett attraktivt material för detektering av nära infrarött ljus på kiselplattformar eftersom det är kompatibelt med CMOS-processer och har extremt stark absorption vid telekommunikationsvåglängder. Den vanligaste Ge/Si-fotodetektorstrukturen är pindioden, där det inneboende germaniumet är inklämt mellan P-typ- och N-typregionerna.
Enhetsstruktur Figur 1 visar en typisk vertikal stift Ge ellerSi-fotodetektorstrukturera:
De viktigaste egenskaperna inkluderar: germaniumabsorberande skikt odlat på kiselsubstrat; används för att samla p- och n-kontakter hos laddningsbärare; vågledarkoppling för effektiv ljusabsorption.
Epitaxiell tillväxt: Att odla högkvalitativt germanium på kisel är utmanande på grund av den 4,2 % gittermatchningen mellan de två materialen. En tvåstegsprocess används vanligtvis: tillväxt av buffertlager vid låg temperatur (300–400 °C) och avsättning av germanium vid hög temperatur (över 600 °C). Denna metod hjälper till att kontrollera gängdislokationer orsakade av gittermatchningar. Efterglödgning vid 800–900 °C minskar ytterligare gängdislokationsdensiteten till cirka 10⁻⁶ cm⁻². Prestandaegenskaper: Den mest avancerade Ge/Si PIN-fotodetektorn kan uppnå: responsivitet > 0,8 A/W vid 1550 nm; Bandbredd > 60 GHz; Mörkström <1 μA vid -1 V förspänning.
Integration med kiselbaserade optoelektronikplattformar
Integrationen avhöghastighetsfotodetektorerMed kiselbaserade optoelektroniska plattformar möjliggörs avancerade optiska sändtagare och sammankopplingar. De två huvudsakliga integrationsmetoderna är följande: Front-end-integration (FEOL), där fotodetektorn och transistorn tillverkas samtidigt på ett kiselsubstrat vilket möjliggör högtemperaturbearbetning, men tar upp chipyta. Back-end-integration (BEOL). Fotodetektorer tillverkas ovanpå metallen för att undvika störningar med CMOS, men är begränsade till lägre bearbetningstemperaturer.
Figur 2: Responsivitet och bandbredd för en höghastighets Ge/Si-fotodetektor
Datacenterapplikation
Höghastighetsfotodetektorer är en nyckelkomponent i nästa generations datacentersammankoppling. Huvudsakliga tillämpningar inkluderar: optiska sändtagare: 100G, 400G och högre hastigheter, med PAM-4-modulering; Afotodetektor med hög bandbredd(>50 GHz) krävs.
Kiselbaserad optoelektronisk integrerad krets: monolitisk integration av detektor med modulator och andra komponenter; En kompakt, högpresterande optisk motor.
Distribuerad arkitektur: optisk sammankoppling mellan distribuerad databehandling, lagring och lagring; Drivkraft för efterfrågan på energieffektiva fotodetektorer med hög bandbredd.
Framtidsutsikter
Framtiden för integrerade optoelektroniska höghastighetsfotodetektorer kommer att visa följande trender:
Högre datahastigheter: Drivkraften bakom utvecklingen av 800G- och 1,6T-sändtagare; Fotodetektorer med bandbredder större än 100 GHz krävs.
Förbättrad integration: Integrering av III-V-material och kisel i ett enda chip; Avancerad 3D-integrationsteknik.
Nya material: Utforskande av tvådimensionella material (som grafen) för ultrasnabb ljusdetektering; En ny grupp IV-legering för utökad våglängdstäckning.
Framväxande tillämpningar: LiDAR och andra sensortillämpningar driver utvecklingen av APD; mikrovågsfotontillämpningar som kräver fotodetektorer med hög linjäritet.
Höghastighetsfotodetektorer, särskilt Ge- eller Si-fotodetektorer, har blivit en viktig drivkraft för kiselbaserad optoelektronik och nästa generations optiska kommunikation. Fortsatta framsteg inom material, enhetsdesign och integrationstekniker är viktiga för att möta de växande bandbreddsbehoven från framtida datacenter och telekommunikationsnätverk. I takt med att området fortsätter att utvecklas kan vi förvänta oss att se fotodetektorer med högre bandbredd, lägre brus och sömlös integration med elektroniska och fotoniska kretsar.
Publiceringstid: 20 januari 2025