Para la optoelectrónica basada en silicio, fotodetectores de silicio
FotodetectoresConvierten las señales luminosas en señales eléctricas. A medida que las velocidades de transferencia de datos siguen mejorando, los fotodetectores de alta velocidad integrados con plataformas optoelectrónicas basadas en silicio se han vuelto 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 el germanio basado en silicio (fotodetector de Ge o Si).fotodetectores de siliciopara tecnología optoelectrónica integrada.
El germanio es un material atractivo para la detección de luz infrarroja cercana en plataformas de silicio, ya que es compatible con los procesos CMOS y presenta una absorción extremadamente alta en longitudes de onda de telecomunicaciones. La estructura más común de fotodetectores de 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 Ge oFotodetector de silicioestructura:
Las características principales incluyen: capa absorbente de germanio cultivada sobre sustrato de silicio; utilizada para recolectar contactos p y n de 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 presenta un desafío debido al 4,2% de desajuste reticular entre ambos materiales. Generalmente, se utiliza un proceso de crecimiento en dos etapas: crecimiento de la capa tampón 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 roscado causadas por desajustes reticulares. El recocido posterior al crecimiento a 800-900 °C reduce aún más la densidad de dislocaciones de roscado a aproximadamente 10^7 cm^-2. Características de rendimiento: El fotodetector PIN de Ge/Si más avanzado puede lograr: capacidad de respuesta > 0,8 A/W a 1550 nm; ancho de banda > 60 GHz; corriente oscura < 1 μA con polarización de -1 V.
Integración con plataformas optoelectrónicas basadas en silicio
La integración defotodetectores de alta velocidadLas plataformas optoelectrónicas basadas en silicio permiten transceptores ópticos e interconexiones avanzados. 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 alta temperatura, pero ocupando espacio en el chip. Integración posterior (BEOL). Los fotodetectores se fabrican sobre el metal para evitar interferencias con CMOS, pero están limitados a temperaturas de procesamiento más bajas.
Figura 2: Capacidad de respuesta y ancho de banda de un fotodetector de 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 de 100G, 400G y velocidades superiores, con modulación PAM-4;fotodetector de alto ancho de bandaSe requiere (>50 GHz).
Circuito integrado optoelectrónico basado en silicio: integración monolítica del detector con modulador y otros componentes; un motor óptico compacto y de alto rendimiento.
Arquitectura distribuida: interconexión óptica entre computación distribuida, almacenamiento y almacenamiento; impulsando la demanda de fotodetectores de alto ancho de banda y energéticamente eficientes.
Perspectivas de futuro
El futuro de los fotodetectores optoelectrónicos integrados de alta velocidad mostrará las siguientes tendencias:
Velocidades de datos más elevadas: Impulsan el desarrollo de transceptores de 800G y 1,6T; se requieren fotodetectores con anchos de banda superiores a 100 GHz.
Integración mejorada: Integración de un solo chip de material III-V y silicio; Tecnología de integración 3D avanzada.
Nuevos materiales: exploración de materiales bidimensionales (como el grafeno) para la detección de luz ultrarrápida; 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 Ge o Si, se han convertido en un factor clave de la optoelectrónica basada en silicio y las comunicaciones ópticas de próxima generación. Los continuos avances en materiales, diseño de dispositivos y tecnologías de integración son cruciales para satisfacer la creciente demanda de ancho de banda de los futuros centros de datos y redes de telecomunicaciones. A medida que este campo continúa evolucionando, cabe esperar fotodetectores con mayor ancho de banda, menor ruido y una integración fluida con circuitos electrónicos y fotónicos.
Hora de publicación: 20 de enero de 2025