Para optoeletrônicos à base de silício, fotodetectores de silício
FotodetectoresConverter sinais de luz em sinais elétricos e, à medida que as taxas de transferência de dados continuam a melhorar, os fotodetectores de alta velocidade integrados às plataformas optoeletrônicas baseadas em silício tornaram-se essenciais para os data centers e redes de telecomunicações da próxima geração. Este artigo fornecerá uma visão geral dos fotodetectores avançados de alta velocidade, com ênfase no germânio à base de silício (GE ou SI FotodeTector)fotodetectores de silíciopara tecnologia optoeletrônica integrada.
O germânio é um material atraente para a detecção de luz infravermelha próxima nas plataformas de silício, porque é compatível com os processos do CMOS e possui uma absorção extremamente forte nos comprimentos de onda de telecomunicações. A estrutura de fotodetector GE/SI mais comum é o diodo PIN, no qual o germânio intrínseco é imprensado entre as regiões do tipo P e N.
Estrutura do dispositivo Figura 1 mostra um pino vertical típico ge ouFotodetector SIestrutura:
As principais características incluem: camada absorvente de germânio cultivada em substrato de silício; Usado para coletar contatos P e N de transportadoras de carga; Acoplamento do guia de ondas para absorção de luz eficiente.
Crescimento epitaxial: o crescimento do germânio de alta qualidade no silício é um desafio devido à incompatibilidade de treliça de 4,2% entre os dois materiais. Um processo de crescimento em duas etapas é geralmente usado: crescimento da camada tampão de baixa temperatura (300-400 ° C) e alta temperatura (acima de 600 ° C) deposição de germânio. Este método ajuda a controlar as luxações de rosqueamento causadas por incompatibilidades de treliça. O recozimento pós-crescimento a 800-900 ° C reduz ainda mais a densidade de deslocamento de rosqueamento para cerca de 10^7 cm^-2. Características de desempenho: o fotodetetor de pino GE /SI mais avançado pode atingir: capacidade de resposta,> 0,8a /w a 1550 nm; Largura de banda,> 60 GHz; Corrente escura, <1 μA a -1 V viés.
Integração com plataformas optoeletrônicas baseadas em silício
A integração defotodetectores de alta velocidadeCom as plataformas optoeletrônicas baseadas em silício, permitem transceptores ópticos avançados e interconexões. Os dois principais métodos de integração são os seguintes: Integração front-end (FEOL), onde o fotodetector e o transistor são fabricados simultaneamente em um substrato de silício, permitindo processamento de alta temperatura, mas adotando a área de chip. Integração de back-end (BEOL). Os fotodetectores são fabricados no topo do metal para evitar interferências nos CMOs, mas são limitados a temperaturas mais baixas de processamento.
Figura 2: Responsabilidade e largura de banda de um fotodetector GE/SI de alta velocidade
Aplicativo de data center
Os fotodetectores de alta velocidade são um componente essencial na próxima geração de interconexão do data center. As principais aplicações incluem: transceptores ópticos: 100g, 400g e taxas mais altas, usando a modulação PAM-4; UMfotodetector de alta largura de banda(> 50 GHz) é necessário.
Circuito integrado optoeletrônico à base de silício: integração monolítica do detector com modulador e outros componentes; Um mecanismo óptico compacto e de alto desempenho.
Arquitetura distribuída: interconexão óptica entre computação, armazenamento e armazenamento distribuídos; Impulsionando a demanda por fotodetectores de alta largura de banda e eficiência energética.
Perspectivas futuras
O futuro dos fotodetectores optoeletrônicos de alta velocidade integrados mostrará as seguintes tendências:
Taxas de dados mais altas: impulsionando o desenvolvimento de transceptores de 800g e 1,6T; São necessários fotodetectores com larguras de banda maiores que 100 GHz.
Integração aprimorada: integração de chip único do material III-V e silício; Tecnologia avançada de integração 3D.
Novos materiais: explorando materiais bidimensionais (como grafeno) para detecção de luz ultra-rápida; Uma nova liga do grupo IV para cobertura prolongada de comprimento de onda.
Aplicações emergentes: LiDAR e outras aplicações de detecção estão impulsionando o desenvolvimento da APD; Aplicações de fótons de microondas que requerem fotodetectores de alta linearidade.
Os fotodetectores de alta velocidade, especialmente os fotodetectores GE ou SI, tornaram-se um fator-chave da optoeletrônica baseada em silício e comunicações ópticas de próxima geração. Os avanços contínuos nos materiais, design de dispositivos e tecnologias de integração são importantes para atender às crescentes demandas de largura de banda de futuros centers e redes de telecomunicações. À medida que o campo continua a evoluir, podemos esperar ver fotodetectores com largura de banda mais alta, menor ruído e integração perfeita com circuitos eletrônicos e fotônicos.
Horário de postagem: Jan-20-2025