Para optoeletrônica baseada em silício, fotodetectores de silício
FotodetectoresConvertem sinais de luz em sinais elétricos e, à medida que as taxas de transferência de dados continuam a melhorar, fotodetectores de alta velocidade integrados a plataformas optoeletrônicas baseadas em silício tornaram-se essenciais para data centers e redes de telecomunicações de próxima geração. Este artigo fornecerá uma visão geral dos fotodetectores avançados de alta velocidade, com ênfase no germânio à base de silício (fotodetector de Ge ou Si).fotodetectores de silíciopara tecnologia optoeletrônica integrada.
O germânio é um material atraente para detecção de luz infravermelha próxima em plataformas de silício, pois é compatível com processos CMOS e possui absorção extremamente forte em comprimentos de onda de telecomunicações. A estrutura fotodetectora Ge/Si mais comum é o diodo pino, no qual o germânio intrínseco está intercalado entre as regiões tipo P e tipo N.
Estrutura do dispositivo A Figura 1 mostra um pino vertical típico Ge ouFotodetector de Siestrutura:
As principais características incluem: camada absorvente de germânio cultivada em substrato de silício; usada para coletar contatos p e n de portadores de carga; acoplamento de guia de onda para absorção de luz eficiente.
Crescimento epitaxial: O cultivo de germânio de alta qualidade em silício é desafiador devido à incompatibilidade de rede de 4,2% entre os dois materiais. Geralmente, utiliza-se um processo de crescimento em duas etapas: crescimento da camada tampão em baixa temperatura (300-400 °C) e deposição de germânio em alta temperatura (acima de 600 °C). Este método auxilia no controle de discordâncias de rosca causadas por incompatibilidades de rede. O recozimento pós-crescimento a 800-900 °C reduz ainda mais a densidade de discordâncias de rosca para cerca de 10^7 cm^-2. Características de desempenho: O fotodetector PIN Ge/Si mais avançado pode atingir: responsividade, > 0,8 A/W a 1550 nm; largura de banda, > 60 GHz; corrente escura, < 1 μA com polarização de -1 V.
Integração com plataformas optoeletrônicas baseadas em silício
A integração defotodetectores de alta velocidadeCom plataformas optoeletrônicas baseadas em silício, são possíveis transceptores e interconexões ópticas avançadas. Os dois principais métodos de integração são: Integração front-end (FEOL), na qual o fotodetector e o transistor são fabricados simultaneamente em um substrato de silício, permitindo processamento em alta temperatura, mas ocupando espaço no chip. Integração back-end (BEOL). Os fotodetectores são fabricados sobre o metal para evitar interferência com o CMOS, mas são limitados a temperaturas de processamento mais baixas.
Figura 2: Responsividade e largura de banda de um fotodetector Ge/Si de alta velocidade
Aplicação de data center
Fotodetectores de alta velocidade são um componente essencial na próxima geração de interconexão de data centers. As principais aplicações incluem: transceptores ópticos: 100G, 400G e taxas superiores, utilizando modulação PAM-4;fotodetector de alta largura de banda(>50 GHz) é necessário.
Circuito integrado optoeletrônico baseado em silício: integração monolítica do detector com o modulador e outros componentes; Um motor óptico compacto e de alto desempenho.
Arquitetura distribuída: interconexão óptica entre computação distribuída, armazenamento e armazenamento; impulsionando a demanda por fotodetectores de alta largura de banda e alta eficiência energética.
Perspectivas futuras
O futuro dos fotodetectores optoeletrônicos integrados de alta velocidade mostrará as seguintes tendências:
Taxas de dados mais altas: impulsionando o desenvolvimento de transceptores 800G e 1,6T; fotodetectores com larguras de banda maiores que 100 GHz são necessários.
Integração aprimorada: integração de chip único de material III-V e silício; tecnologia avançada de integração 3D.
Novos materiais: Exploração de materiais bidimensionais (como o grafeno) para detecção de luz ultrarrápida; Uma nova liga do Grupo IV para cobertura de comprimento de onda estendido.
Aplicações emergentes: LiDAR e outras aplicações de detecção estão impulsionando o desenvolvimento de APD; Aplicações de fótons de micro-ondas que exigem fotodetectores de alta linearidade.
Fotodetectores de alta velocidade, especialmente os de Ge ou Si, tornaram-se um motor fundamental da optoeletrônica baseada em silício e das comunicações ópticas de próxima geração. Avanços contínuos em materiais, design de dispositivos e tecnologias de integração são importantes para atender às crescentes demandas de largura de banda dos futuros data centers e redes de telecomunicações. À medida que o campo continua a evoluir, podemos esperar ver fotodetectores com maior largura de banda, menor ruído e integração perfeita com circuitos eletrônicos e fotônicos.
Horário da publicação: 20/01/2025