Foar opto-elektroanika op basis fan silisium, silisiumfotodetektors
Fotodetektorsljochtsignalen omsette yn elektryske sinjalen, en om't de gegevensoerdrachtsnelheden bliuwe ferbetterjen, binne hege-snelheid fotodetektors yntegrearre mei opto-elektroanikaplatfoarms op basis fan silisium de kaai wurden foar datasintra en telekommunikaasjenetwurken fan 'e folgjende generaasje. Dit artikel sil in oersjoch jaan fan avansearre hege-snelheid fotodetektors, mei klam op germanium op basis fan silisium (Ge- of Si-fotodetektor)silisium fotodetektorsfoar yntegreare opto-elektronikatechnology.
Germanium is in oantreklik materiaal foar it detektearjen fan tichtby ynfraread ljocht op silisiumplatfoarms, om't it kompatibel is mei CMOS-prosessen en in ekstreem sterke absorpsje hat by telekommunikaasjegolflingten. De meast foarkommende Ge/Si-fotodetektorstruktuer is de pindiode, wêryn't it yntrinsike germanium tusken de P-type en N-type regio's ynklemme is.
Apparaatstruktuer Figuer 1 lit in typyske fertikale pin Ge of sjenSi fotodetektorstruktuer:
De wichtichste skaaimerken omfetsje: germanium-absorberende laach groeid op in silisiumsubstraat; brûkt om p- en n-kontakten fan ladingsdragers te sammeljen; golfgeleiderkoppeling foar effisjinte ljochtabsorpsje.
Epitaksiale groei: It groeien fan germanium fan hege kwaliteit op silisium is in útdaging fanwegen de 4,2% roastermismatch tusken de twa materialen. In twa-staps groeiproses wurdt meastentiids brûkt: groei fan bufferlaach by lege temperatuer (300-400 °C) en ôfsetting fan germanium by hege temperatuer (boppe 600 °C). Dizze metoade helpt om triedûntwrichtingen te kontrolearjen dy't feroarsake wurde troch roastermismatches. Neigloeien by 800-900 °C ferminderet de tichtens fan triedûntwrichtingen fierder nei sawat 10^7 cm^-2. Prestaasjekarakteristiken: De meast avansearre Ge/Si PIN-fotodetektor kin berikke: responsiviteit, > 0,8 A /W by 1550 nm; Bânbreedte, > 60 GHz; Tsjusterstroom, <1 μA by -1 V bias.
Yntegraasje mei opto-elektronika platfoarms basearre op silisium
De yntegraasje fanhege-snelheid fotodetektorsmei opto-elektroanikaplatfoarms basearre op silisium meitsje avansearre optyske transceivers en ynterferbiningen mooglik. De twa wichtichste yntegraasjemetoaden binne as folget: Front-end yntegraasje (FEOL), wêrby't de fotodetektor en transistor tagelyk produsearre wurde op in silisiumsubstraat, wêrtroch ferwurking op hege temperatuer mooglik is, mar chipoerflak yn beslach nimt. Back-end yntegraasje (BEOL). Fotodetektors wurde boppe op it metaal produsearre om ynterferinsje mei CMOS te foarkommen, mar binne beheind ta legere ferwurkingstemperatueren.
Figuer 2: Responsiviteit en bânbreedte fan in hege-snelheid Ge/Si fotodetektor
Datasintrumapplikaasje
Hege-snelheid fotodetektors binne in kaaikomponint yn 'e folgjende generaasje fan datasintrum-ynterferbining. Wichtichste tapassingen omfetsje: optyske transceivers: 100G, 400G en hegere tariven, mei PAM-4-modulaasje; Ahege bânbreedte fotodetektor(>50 GHz) is fereaske.
Silisium-basearre opto-elektronyske yntegreare sirkwy: monolityske yntegraasje fan detektor mei modulator en oare komponinten; In kompakte, hege prestaasjes optyske motor.
Ferspraat arsjitektuer: optyske ferbining tusken ferspraat kompjûterjen, opslach en opslach; De fraach nei enerzjy-effisjinte fotodetektors mei hege bânbreedte driuwt.
Takomstige útsichten
De takomst fan yntegreare opto-elektronyske hege-snelheid fotodetektors sil de folgjende trends sjen litte:
Hegere datasnelheden: De ûntwikkeling fan 800G- en 1.6T-transceivers oandriuwe; Fotodetektors mei bânbreedten grutter as 100 GHz binne fereaske.
Ferbettere yntegraasje: Yntegraasje fan III-V materiaal en silisium mei ien chip; Avansearre 3D-yntegraasjetechnology.
Nije materialen: Undersyk nei twadiminsjonale materialen (lykas grafeen) foar ultrasnelle ljochtdeteksje; In nije Groep IV-legearing foar útwreide golflingtedekking.
Opkommende tapassingen: LiDAR en oare sensortapassingen driuwe de ûntwikkeling fan APD oan; Mikrogolffotontapassingen dy't fotodetektors mei hege lineariteit fereaskje.
Hege-snelheid fotodetektors, benammen Ge- of Si-fotodetektors, binne in wichtige driuwfear wurden fan opto-elektroanika op basis fan silisium en optyske kommunikaasje fan 'e folgjende generaasje. Trochgeande foarútgong yn materialen, apparaatûntwerp en yntegraasjetechnologyen is wichtich om te foldwaan oan 'e groeiende easken foar bânbreedte fan takomstige datasintra en telekommunikaasjenetwurken. As it fjild him trochgiet te ûntwikkeljen, kinne wy ferwachtsje dat wy fotodetektors sille sjen mei hegere bânbreedte, legere rûs en naadleaze yntegraasje mei elektroanyske en fotonyske circuits.
Pleatsingstiid: 20 jannewaris 2025