Para la optoelectrónica basada en silicio, fotodetectores de silicio
FotodetectoresLos fotodetectores de alta velocidad, que convierten señales luminosas en señales eléctricas y mejoran continuamente las velocidades de transferencia de datos, se han convertido en un elemento clave para los centros de datos y las redes de telecomunicaciones de próxima generación. Este artículo ofrece una visión general de los fotodetectores avanzados de alta velocidad, con especial énfasis en los fotodetectores de germanio (Ge o Si) basados en silicio.fotodetectores de siliciopara tecnología optoelectrónica integrada.
El germanio es un material atractivo para la detección de luz infrarroja cercana en plataformas de silicio debido a su compatibilidad con los procesos CMOS y su absorción extremadamente fuerte en longitudes de onda de telecomunicaciones. La estructura más común de fotodetector Ge/Si es el diodo PIN, en el que el germanio intrínseco se encuentra entre las regiones de tipo P y tipo N.
Estructura del dispositivo La figura 1 muestra un pin vertical típico de Ge ofotodetector de silicioestructura:
Las características principales incluyen: capa absorbente de germanio cultivada sobre un sustrato de silicio; utilizada para recoger los contactos p y n de los portadores de carga; acoplamiento de guía de ondas para una absorción de luz eficiente.
Crecimiento epitaxial: El crecimiento de germanio de alta calidad sobre silicio es complejo debido al desajuste de red del 4,2 % entre ambos materiales. Generalmente se utiliza un proceso de crecimiento en dos etapas: crecimiento de una capa amortiguadora a baja temperatura (300-400 °C) y deposición de germanio a alta temperatura (superior a 600 °C). Este método ayuda a controlar las dislocaciones de rosca causadas por el desajuste de red. El recocido posterior al crecimiento a 800-900 °C reduce aún más la densidad de dislocaciones de rosca a aproximadamente 10⁷ cm⁻². Características de rendimiento: El fotodetector PIN Ge/Si más avanzado puede alcanzar: una responsividad superior a 0,8 A/W a 1550 nm; un ancho de banda superior a 60 GHz; y una corriente oscura inferior a 1 μA con una polarización de -1 V.
Integración con plataformas optoelectrónicas basadas en silicio
La integración defotodetectores de alta velocidadLas plataformas optoelectrónicas basadas en silicio permiten el desarrollo de transceptores ópticos e interconexiones avanzadas. Los dos métodos principales de integración son: Integración frontal (FEOL), donde el fotodetector y el transistor se fabrican simultáneamente sobre un sustrato de silicio, lo que permite el procesamiento a altas temperaturas, pero ocupa espacio en el chip. Integración posterior (BEOL), donde los fotodetectores se fabrican sobre el metal para evitar interferencias con la tecnología CMOS, pero están limitados a temperaturas de procesamiento más bajas.
Figura 2: Sensibilidad y ancho de banda de un fotodetector Ge/Si de alta velocidad
Aplicación de centro de datos
Los fotodetectores de alta velocidad son un componente clave en la próxima generación de interconexión de centros de datos. Sus principales aplicaciones incluyen: transceptores ópticos: 100G, 400G y velocidades superiores, utilizando modulación PAM-4; Afotodetector de alto ancho de banda(>50 GHz) es necesario.
Circuito integrado optoelectrónico basado en silicio: integración monolítica del detector con el modulador y otros componentes; un motor óptico compacto de alto rendimiento.
Arquitectura distribuida: interconexión óptica entre computación distribuida, almacenamiento y distribución; impulsando la demanda de fotodetectores de alta eficiencia energética y gran ancho de banda.
Perspectivas futuras
El futuro de los fotodetectores optoelectrónicos integrados de alta velocidad mostrará las siguientes tendencias:
Mayores velocidades de datos: Impulsando el desarrollo de transceptores de 800G y 1,6T; se requieren fotodetectores con anchos de banda superiores a 100 GHz.
Integración mejorada: Integración en un solo chip de material III-V y silicio; Tecnología avanzada de integración 3D.
Nuevos materiales: Exploración de materiales bidimensionales (como el grafeno) para la detección ultrarrápida de luz; Una nueva aleación del Grupo IV para una 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 de germanio o silicio, se han convertido en un elemento clave para la optoelectrónica basada en silicio y las comunicaciones ópticas de próxima generación. Los avances continuos en materiales, diseño de dispositivos y tecnologías de integración son fundamentales para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda de los futuros centros de datos y redes de telecomunicaciones. A medida que el sector siga evolucionando, podemos esperar fotodetectores con mayor ancho de banda, menor ruido y una integración perfecta con circuitos electrónicos y fotónicos.
Fecha de publicación: 20 de enero de 2025