Pour l'optoélectronique à base de silicium, les photodétecteurs en silicium
PhotodétecteursConvertir les signaux légers en signaux électriques et, à mesure que les taux de transfert de données continuent de s'améliorer, les photodétecteurs à grande vitesse intégrés aux plates-formes d'optoélectronique à base de silicium sont devenues la clé des centres de données de nouvelle génération et des réseaux de télécommunications. Cet article fournira un aperçu des photodétecteurs avancés à grande vitesse, en mettant l'accent sur le germanium à base de silicium (GE ou SI Photodetector)Photodétecteurs en siliciumpour la technologie d'optoélectronique intégrée.
Le germanium est un matériau attrayant pour la détection de la lumière infrarouge proche sur les plates-formes de silicium car elle est compatible avec les processus CMOS et a une absorption extrêmement forte aux longueurs d'onde des télécommunications. La structure du 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 ouSI Photodetectorstructure:
Les principales caractéristiques comprennent: la couche absorbante de germanium cultivée sur un substrat de silicium; Utilisé pour percevoir des contacts de P et N des transporteurs de charge; Accouplement du guide d'onde pour une absorption de lumière efficace.
Croissance épitaxiale: la croissance de germanium de haute qualité sur le silicium est difficile en raison de l'inadéquation du réseau de 4,2% entre les deux matériaux. Un processus de croissance en deux étapes est généralement utilisé: une croissance de la couche de tampon à basse température (300-400 ° C) et à haute température (supérieure à 600 ° C) en germanium. Cette méthode aide à contrôler les dislocations de filetage causées par les décalages du réseau. Le recuit post-croissance à 800-900 ° C réduit encore la densité de dislocation de filetage à environ 10 ^ 7 cm ^ -2. Caractéristiques de performance: Le photodétecteur GE / SI le plus avancé peut atteindre: Réactivité,> 0,8A / W à 1550 nm; Bande passante,> 60 GHz; Courant sombre, <1 μA à -1 V biais.
Intégration avec les plateformes d'optoélectronique à base de silicium
L'intégration dePhotodétecteurs à grande vitesseAvec les plates-formes d'optoélectronique à base de silicium, permet aux émetteurs-récepteurs et interconnextes 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 en prenant une zone de puce. Intégration arrière (Beol). Les photodétecteurs sont fabriqués au-dessus du métal pour éviter les interférences avec les CMO, mais sont limités aux températures de traitement plus basses.
Figure 2: Réactivité et bande passante d'un photodétecteur GE / SI à grande vitesse
Application du centre de données
Les photodétecteurs à grande vitesse sont un composant clé dans la prochaine génération d'interconnexion du centre de données. Les principales applications comprennent: les émetteurs-récepteurs optiques: 100 g, 400g et des taux plus élevés, en utilisant la modulation PAM-4; UNPhotodetecteur de bande passante élevée(> 50 GHz) est requis.
Circuit intégré optoélectronique à base de silicium: intégration monolithique du détecteur avec modulateur et autres composants; Un moteur optique compact et haute performance.
Architecture distribuée: interconnexion optique entre l'informatique distribuée, le stockage et le stockage; Stimulant la demande de photodétecteurs à largeur de banque économe en énergie.
Perspectives futures
L'avenir des photodétecteurs à grande vitesse optoélectroniques intégrés montrera les tendances suivantes:
Taux de données plus élevés: stimulation du développement des émetteurs-récepteurs 800 g et 1,6t; Des photodétecteurs avec une bande passante supérieure à 100 GHz sont nécessaires.
Intégration améliorée: intégration à puce unique du matériau III-V et du silicium; Technologie d'intégration 3D avancée.
Nouveaux matériaux: explorer des matériaux bidimensionnels (comme le graphène) pour une détection de lumière ultra-rapide; Un nouvel alliage du groupe IV pour une couverture de longueur d'onde prolongée.
Applications émergentes: LIDAR et d'autres applications de détection conduisent le développement de l'APD; Applications de photons micro-ondes nécessitant des photodétecteurs de linéarité élevés.
Les photodétecteurs à grande vitesse, en particulier les photodétecteurs GE ou SI, sont devenus un moteur clé de l'optoélectronique à base de silicium et des communications optiques de nouvelle génération. Les progrès continus dans les matériaux, la conception des appareils et les technologies d'intégration sont importants pour répondre aux demandes croissantes de la bande passante des futurs centres de données et des réseaux de télécommunications. Alors que le champ continue d'évoluer, nous pouvons nous attendre à voir des photodétecteurs avec une bande passante plus élevée, un bruit plus faible et une intégration transparente avec des circuits électroniques et photoniques.
Heure du poste: 20 janvier-2025