Para Optoelectrónica basada en silicio, fotodetectores de silicio
FotodetectoresConvierta señales de luz en señales eléctricas, y a medida que las tasas de transferencia de datos continúan mejorando, los fotodetectores de alta velocidad integrados con plataformas optoelectrónicas basadas en silicio se han convertido en clave para los centros de datos de próxima generación y las redes de telecomunicaciones. Este artículo proporcionará una visión general de los fotodetectores avanzados de alta velocidad, con énfasis en Germanio basado en silicio (GE o SI Photodetector)fotodetectores de siliciopara tecnología optoelectrónica integrada.
Germanio es un material atractivo para la detección de luz infrarroja cercana en plataformas de silicio porque es compatible con los procesos CMOS y tiene una absorción extremadamente fuerte en las longitudes de onda de telecomunicaciones. La estructura fotodetector GE/Si más común es el diodo PIN, en el que el germanio intrínseco se intercala entre las regiones de tipo P y de tipo N.
Estructura del dispositivo La Figura 1 muestra un pin vertical típico oFotodetector de SIestructura:
Las características principales incluyen: capa de absorción de germanio cultivada en sustrato de silicio; Utilizado para recolectar contactos P y N de portadores de carga; Acoplamiento de guía de onda para una absorción de luz eficiente.
Crecimiento epitaxial: el crecimiento de germanio de alta calidad en el silicio es un desafío debido a la falta de coincidencia de 4,2% en la red entre los dos materiales. Por lo general, se usa un proceso de crecimiento de dos pasos: baja temperatura (300-400 ° C) de crecimiento de la capa de tampón y alta temperatura (por encima de 600 ° C) deposición de germanio. Este método ayuda a controlar las dislocaciones de roscado causadas por los desajustes de la red. El recocido posterior al crecimiento a 800-900 ° C reduce aún más la densidad de dislocación de roscado a aproximadamente 10^7 cm^-2. Características de rendimiento: el fotodetector PIN GE /SI más avanzado puede lograr: capacidad de respuesta,> 0.8a /W a 1550 nm; Ancho de banda,> 60 GHz; Corriente oscura, <1 μA a -1 V sesgo.
Integración con plataformas optoelectrónicas basadas en silicio
La integración defotodetectores de alta velocidadcon las plataformas Optoelectronics basadas en silicio permite transceptores ópticos y interconexiones avanzadas. Los dos métodos principales de integración son los siguientes: Integración frontal (FEOL), donde el fotodetector y el transistor se fabrican simultáneamente en un sustrato de silicio que permite un procesamiento de alta temperatura, pero ocupa el área de Chip. Integración de back-end (BEOL). Los fotodetectores se fabrican en la parte superior del metal para evitar la interferencia con los CMO, pero se limitan a temperaturas de procesamiento más bajas.
Figura 2: capacidad de respuesta y ancho de banda de un fotodetector GE/SI de alta velocidad
Aplicación del centro de datos
Los fotodetectores de alta velocidad son un componente clave en la próxima generación de interconexión del centro de datos. Las aplicaciones principales incluyen: transceptores ópticos: 100 g, 400 g y tasas más altas, utilizando la modulación PAM-4; Afotodetector de alto ancho de banda(> 50 GHz) se requiere.
Circuito integrado optoelectrónico basado en silicio: integración monolítica del detector con modulador y otros componentes; Un motor óptico compacto de alto rendimiento.
Arquitectura distribuida: interconexión óptica entre computación distribuida, almacenamiento y almacenamiento; Impulsando la demanda de fotodetectores de alto rendimiento energético de alto nivel.
Perspectiva futura
El futuro de los fotodetectores optoelectrónicos de alta velocidad integrados mostrará las siguientes tendencias:
Tasas de datos más altas: impulsar el desarrollo de transceptores 800G y 1.6T; Se requieren fotodetectores con anchos de banda superiores a 100 GHz.
Integración mejorada: integración de chips individuales de material III-V y silicio; Tecnología de integración 3D avanzada.
Nuevos materiales: explorar materiales bidimensionales (como grafeno) para la detección de luz ultrarrápida; Una nueva aleación del Grupo IV para cobertura de longitud de onda extendida.
Aplicaciones emergentes: LiDAR y otras aplicaciones de detección están impulsando el desarrollo de APD; Aplicaciones de fotones de microondas que requieren fotodetectores de alta linealidad.
Los fotodetectores de alta velocidad, especialmente los fotodetectores GE o SI, se han convertido en un impulsor clave de la optoelectrónica basada en silicio y las comunicaciones ópticas de próxima generación. Los continuos avances en materiales, diseño de dispositivos e integración son importantes para satisfacer las crecientes demandas de ancho de banda de futuros centros de datos y redes de telecomunicaciones. A medida que el campo continúa evolucionando, podemos esperar ver fotodetectores con mayor ancho de banda, menor ruido e integración perfecta con circuitos electrónicos y fotónicos.
Tiempo de publicación: enero-20-2025