Pour l'optoélectronique à base de silicium, photodétecteurs au silicium (photodétecteur Si)

Pour l'optoélectronique à base de silicium, photodétecteurs au silicium

PhotodétecteursConvertir les signaux lumineux en signaux électriques. Avec l'amélioration constante des débits de données, les photodétecteurs haute vitesse intégrés aux plateformes optoélectroniques silicium sont devenus essentiels aux centres de données et réseaux de télécommunications de nouvelle génération. Cet article présente les photodétecteurs haute vitesse avancés, en mettant l'accent sur le photodétecteur au germanium silicium (Ge ou Si).photodétecteurs au siliciumpour la technologie optoélectronique intégrée.

Le germanium est un matériau intéressant pour la détection de lumière proche infrarouge sur les plateformes silicium, car il est compatible avec les procédés CMOS et présente une absorption extrêmement forte aux longueurs d'onde des télécommunications. La structure de photodétecteur Ge/Si la plus courante est la diode PIN, dans laquelle le germanium intrinsèque est pris en sandwich entre les régions de type P et de type N.

Structure de l'appareil La figure 1 montre une broche verticale typique Ge ouPhotodétecteur Sistructure:

Les principales caractéristiques comprennent : une couche absorbante en germanium cultivée sur un substrat de silicium ; utilisée pour collecter les contacts p et n des porteurs de charge ; couplage de guide d'ondes pour une absorption efficace de la lumière.

Croissance épitaxiale : La croissance de germanium de haute qualité sur silicium est difficile en raison du désaccord de réseau de 4,2 % entre les deux matériaux. Un processus de croissance en deux étapes est généralement utilisé : croissance de la couche tampon à basse température (300-400 °C) et dépôt de germanium à haute température (plus de 600 °C). Cette méthode permet de contrôler les dislocations de filetage causées par les désaccords de réseau. Un recuit post-croissance à 800-900 °C réduit encore la densité de dislocations de filetage à environ 10^7 cm^-2. Caractéristiques de performance : Le photodétecteur PIN Ge/Si le plus avancé peut atteindre : réactivité, > 0,8 A/W à 1550 nm ; bande passante, > 60 GHz ; courant d'obscurité, < 1 μA à -1 V de polarisation.

Intégration avec des plateformes optoélectroniques à base de silicium

L'intégration dephotodétecteurs à grande vitesseL'intégration de plateformes optoélectroniques à base de silicium permet la réalisation d'émetteurs-récepteurs et d'interconnexions optiques avancés. Les deux principales méthodes d'intégration sont les suivantes : l'intégration frontale (FEOL), où le photodétecteur et le transistor sont fabriqués simultanément sur un substrat de silicium, permettant un traitement à haute température, mais occupant de la surface sur la puce ; et l'intégration dorsale (BEOL). Les photodétecteurs sont fabriqués sur le métal pour éviter les interférences avec le CMOS, mais sont limités à des températures de traitement plus basses.

Figure 2 : Réactivité et bande passante d'un photodétecteur Ge/Si à grande vitesse

Application de centre de données

Les photodétecteurs à haut débit sont un élément clé de la prochaine génération d'interconnexion de centres de données. Leurs principales applications incluent : les émetteurs-récepteurs optiques : 100 G, 400 G et débits supérieurs, utilisant la modulation PAM-4 ;photodétecteur à large bande passante(> 50 GHz) est requis.

Circuit intégré optoélectronique à base de silicium : intégration monolithique du détecteur avec le modulateur et d'autres composants ; Un moteur optique compact et performant.

Architecture distribuée : interconnexion optique entre le calcul distribué, le stockage et le stockage ; Stimuler la demande de photodétecteurs à haut débit et à haut rendement énergétique.

Perspectives d'avenir

L’avenir des photodétecteurs optoélectroniques intégrés à grande vitesse montrera les tendances suivantes :

Débits de données plus élevés : Stimuler le développement des émetteurs-récepteurs 800G et 1,6T ; des photodétecteurs avec des bandes passantes supérieures à 100 GHz sont nécessaires.

Intégration améliorée : intégration monopuce de matériau III-V et de silicium ; technologie d'intégration 3D avancée.

Nouveaux matériaux : exploration de matériaux bidimensionnels (tels que le graphène) pour la détection de lumière ultra-rapide ; un nouvel alliage du groupe IV pour une couverture de longueur d'onde étendue.

Applications émergentes : Le LiDAR et d'autres applications de détection stimulent le développement de l'APD ; les applications de photons micro-ondes nécessitent des photodétecteurs à haute linéarité.

Les photodétecteurs haute vitesse, notamment ceux en Ge ou en Si, sont devenus un moteur essentiel de l'optoélectronique à base de silicium et des communications optiques de nouvelle génération. Les progrès constants dans les matériaux, la conception des dispositifs et les technologies d'intégration sont essentiels pour répondre aux besoins croissants en bande passante des futurs centres de données et réseaux de télécommunications. L'évolution continue du domaine devrait permettre de voir apparaître des photodétecteurs offrant une bande passante plus élevée, un bruit plus faible et une intégration transparente aux circuits électroniques et photoniques.