Pour l'optoélectronique à base de silicium, les photodétecteurs en silicium
PhotodétecteursLes photodétecteurs rapides, intégrés à des plateformes optoélectroniques à base de silicium, sont essentiels à la conversion des signaux lumineux en signaux électriques. Avec l'amélioration constante des débits de transfert de données, ils sont devenus indispensables aux centres de données et aux réseaux de télécommunications de nouvelle génération. Cet article présente un aperçu des photodétecteurs rapides de pointe, en particulier ceux à base de silicium et de germanium (photodétecteurs Ge ou Si).photodétecteurs au siliciumpour la technologie optoélectronique intégrée.
Le germanium est un matériau de choix pour la détection de la lumière proche infrarouge sur des plateformes en 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.
La figure 1 montre la structure du dispositif, qui représente une broche verticale typique en Ge ouphotodétecteur Sistructure:
Les principales caractéristiques sont les suivantes : couche absorbante en germanium déposée sur un substrat de silicium ; utilisée pour collecter les contacts p et n des porteurs de charge ; couplage par guide d’ondes pour une absorption efficace de la lumière.
Croissance épitaxiale : La croissance de germanium de haute qualité sur silicium est complexe en raison du désaccord de maille de 4,2 % entre les deux matériaux. Un procédé de croissance en deux étapes est généralement utilisé : la croissance d’une couche tampon à basse température (300-400 °C) et le dépôt de germanium à haute température (supérieure à 600 °C). Cette méthode permet de contrôler les dislocations traversantes induites par le désaccord de maille. Un recuit post-croissance à 800-900 °C réduit encore la densité de dislocations traversantes à environ 10⁷ cm⁻². Caractéristiques de performance : Le photodétecteur PIN Ge/Si le plus performant atteint les performances suivantes : sensibilité > 0,8 A/W à 1550 nm ; bande passante > 60 GHz ; courant d’obscurité < 1 µA sous une tension de polarisation de -1 V.
Intégration avec des plateformes optoélectroniques à base de silicium
L'intégration dephotodétecteurs à haute vitesseLes plateformes optoélectroniques à base de silicium permettent 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, ce qui permet un traitement à haute température, mais augmente la surface occupée par la puce ; et l'intégration dorsale (BEOL), où les photodétecteurs sont fabriqués sur le substrat métallique afin d'éviter les interférences avec la technologie CMOS, mais sont limités à des températures de traitement plus basses.
Figure 2 : Réponse et bande passante d'un photodétecteur Ge/Si haute vitesse
application de centre de données
Les photodétecteurs à haute vitesse sont un composant clé de l'interconnexion des centres de données de nouvelle génération. Leurs principales applications incluent : les émetteurs-récepteurs optiques : débits de 100 Gbit/s, 400 Gbit/s et plus, 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 calcul distribué, stockage et stockage ; stimulant la demande de photodétecteurs à haut débit et à faible consommation d’énergie.
Perspectives d'avenir
L'avenir des photodétecteurs optoélectroniques intégrés à haute vitesse suivra les tendances suivantes :
Débits de données plus élevés : moteurs du développement des émetteurs-récepteurs 800G et 1,6T ; des photodétecteurs avec des bandes passantes supérieures à 100 GHz sont nécessaires.
Intégration améliorée : Intégration sur une seule puce de matériaux III-V et de silicium ; Technologie d’intégration 3D avancée.
Nouveaux matériaux : exploration de matériaux bidimensionnels (tels que le graphène) pour la détection ultrarapide de la lumière ; 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 des APD ; les applications de photons micro-ondes nécessitent des photodétecteurs à haute linéarité.
Les photodétecteurs à haute vitesse, notamment ceux au germanium ou au silicium, sont devenus un élément clé de l'optoélectronique sur silicium et des communications optiques de nouvelle génération. Les progrès continus en matière de matériaux, de conception de dispositifs et de technologies d'intégration sont essentiels pour répondre aux besoins croissants en bande passante des futurs centres de données et réseaux de télécommunications. À mesure que ce domaine évolue, on peut s'attendre à voir apparaître des photodétecteurs à bande passante plus élevée, à bruit réduit et parfaitement intégrés aux circuits électroniques et photoniques.
Date de publication : 20 janvier 2025