Para optoeletrônica baseada em silício, fotodetectores de silício
FotodetectoresOs fotodetectores convertem sinais luminosos em sinais elétricos e, à medida que as taxas de transferência de dados continuam a melhorar, os fotodetectores de alta velocidade integrados em plataformas optoeletrônicas baseadas em silício tornaram-se essenciais para os centros de dados e redes de telecomunicações da próxima geração. Este artigo fornecerá uma visão geral dos fotodetectores avançados de alta velocidade, com ênfase nos fotodetectores de germânio (Ge ou Si) baseados em silício.fotodetectores de silíciopara tecnologia optoeletrônica integrada.
O germânio é um material atraente para a 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 de fotodetector Ge/Si mais comum é o diodo PIN, no qual o germânio intrínseco é intercalado entre regiões do tipo P e do tipo N.
Estrutura do dispositivo A Figura 1 mostra um pino vertical típico de Ge ouFotodetector de silícioestrutura:
As principais características incluem: camada absorvente de germânio cultivada em substrato de silício; utilizada para coletar contatos p e n de portadores de carga; acoplamento de guia de ondas para absorção de luz eficiente.
Crescimento epitaxial: O crescimento de germânio de alta qualidade sobre silício é desafiador devido à diferença de 4,2% na rede cristalina entre os dois materiais. Geralmente, utiliza-se um processo de crescimento em duas etapas: crescimento de uma camada tampão a baixa temperatura (300-400 °C) e deposição de germânio a alta temperatura (acima de 600 °C). Esse método ajuda a controlar as discordâncias de rosca causadas pela diferença na rede cristalina. O recozimento pós-crescimento a 800-900 °C reduz ainda mais a densidade de discordâncias de rosca para cerca de 10⁷ 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 velocidadeAs plataformas optoeletrônicas baseadas em silício permitem transceptores ópticos e interconexões avançadas. Os dois principais métodos de integração são: Integração frontal (FEOL), onde o fotodetector e o transistor são fabricados simultaneamente em um substrato de silício, permitindo o processamento em altas temperaturas, mas ocupando área do chip. Integração traseira (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: Capacidade de resposta e largura de banda de um fotodetector Ge/Si de alta velocidade
Aplicação de data center
Os fotodetectores de alta velocidade são um componente essencial na próxima geração de interconexão de data centers. As principais aplicações incluem: transceptores ópticos: taxas de 100G, 400G e superiores, utilizando modulação PAM-4; Afotodetector 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 baixo consumo de energia.
Perspectivas futuras
O futuro dos fotodetectores optoeletrônicos integrados de alta velocidade apresentará as seguintes tendências:
Taxas de dados mais elevadas: Impulsionando o desenvolvimento de transceptores 800G e 1.6T; Fotodetectores com larguras de banda superiores a 100 GHz são necessários.
Integração aprimorada: Integração em um único chip de material III-V e silício; Tecnologia avançada de integração 3D.
Novos materiais: Explorando materiais bidimensionais (como o grafeno) para detecção de luz ultrarrápida; Uma nova liga do Grupo IV para cobertura de comprimento de onda estendida.
Aplicações emergentes: LiDAR e outras aplicações de sensoriamento estão impulsionando o desenvolvimento de APDs; aplicações de fótons de micro-ondas que exigem fotodetectores de alta linearidade.
Fotodetectores de alta velocidade, especialmente os de germânio (Ge) ou silício (Si), tornaram-se um fator chave para o desenvolvimento da optoeletrônica baseada em silício e para as comunicações ópticas de próxima geração. Avanços contínuos em materiais, design de dispositivos e tecnologias de integração são essenciais para atender à crescente demanda por largura de banda dos futuros data centers e redes de telecomunicações. À medida que o campo continua a evoluir, podemos esperar fotodetectores com maior largura de banda, menor ruído e integração perfeita com circuitos eletrônicos e fotônicos.
Data de publicação: 20 de janeiro de 2025