Кремний негизиндеги оптоэлектроника үчүн, кремний фотодетекторлору (Si фотодетектору)

Кремний негизиндеги оптоэлектроника үчүн, кремний фотодетекторлору

Фотодетекторлоржарык сигналдарын электрдик сигналдарга айландыруу жана маалыматтарды берүү ылдамдыгы жакшыра берген сайын, кремний негизиндеги оптоэлектроника платформалары менен интеграцияланган жогорку ылдамдыктагы фотодетекторлор кийинки муундагы маалымат борборлору жана телекоммуникация тармактары үчүн маанилүү болуп калды. Бул макалада кремний негизиндеги германийге (Ge же Si фотодетектору) басым жасоо менен өнүккөн жогорку ылдамдыктагы фотодетекторлорго сереп салынат.кремний фотодетекторлоруинтеграцияланган оптоэлектроника технологиясы үчүн.

Германий кремний платформаларында жакын инфракызыл жарыкты аныктоо үчүн жагымдуу материал болуп саналат, анткени ал CMOS процесстери менен шайкеш келет жана телекоммуникациялык толкун узундуктарында өтө күчтүү сиңирүүгө ээ. Ge/Si фотодетекторунун эң кеңири таралган түзүлүшү - бул төөнөгүчтүү диод, анда ички германий P-типтеги жана N-типтеги аймактардын ортосунда жайгашкан.

Түзмөктүн түзүлүшү 1-сүрөттө типтүү вертикалдуу Ge же төөнөгүчү көрсөтүлгөн.Si фотодетекторутүзүлүш:

Негизги өзгөчөлүктөрү төмөнкүлөрдү камтыйт: кремний субстратында өстүрүлгөн германийди сиңирүүчү катмар; Заряд ташуучулардын p жана n контакттарын чогултуу үчүн колдонулат; Жарыкты натыйжалуу сиңирүү үчүн толкун өткөргүч байланыш.

Эпитаксиалдык өсүү: Кремнийде жогорку сапаттагы германийди өстүрүү эки материалдын ортосундагы торчолордун 4,2% дал келбестигинен улам кыйынчылык жаратат. Адатта эки баскычтуу өстүрүү процесси колдонулат: төмөн температурада (300-400°C) буфердик катмардын өсүшү жана германийдин жогорку температурада (600°C жогору) чөкмөсү. Бул ыкма торчолордун дал келбестигинен улам пайда болгон жипчелердин чыгышын көзөмөлдөөгө жардам берет. 800-900°C температурада өскөндөн кийин күйгүзүү жипчелердин чыгышынын тыгыздыгын болжол менен 10^7 см^-2 чейин төмөндөтөт. Иштөө мүнөздөмөлөрү: Эң өнүккөн Ge/Si PIN фотодетектору төмөнкүлөргө жетише алат: жооп берүүчүлүк, 1550 нмде > 0,8A /W; өткөрүү жөндөмдүүлүгү, >60 ГГц; караңгы ток, -1 В жылышууда <1 мкА.

Кремнийге негизделген оптоэлектроника платформалары менен интеграция

Интеграциясыжогорку ылдамдыктагы фотодетекторлорКремнийге негизделген оптоэлектроника платформалары менен өнүккөн оптикалык кабыл алгычтарды жана өз ара байланыштарды түзүүгө мүмкүндүк берет. Эки негизги интеграциялоо ыкмасы төмөнкүлөр: Алдыңкы беттеги интеграция (FEOL), мында фотодетектор жана транзистор бир эле учурда кремний субстратында жасалат, бул жогорку температурада иштетүүгө мүмкүндүк берет, бирок чиптин аянтын ээлейт. Арткы беттеги интеграция (BEOL). Фотодетекторлор CMOS менен тоскоолдуктарды болтурбоо үчүн металлдын үстүнө жасалат, бирок төмөнкү иштетүү температуралары менен чектелет.

2-сүрөт: Жогорку ылдамдыктагы Ge/Si фотодетекторунун жооп берүүсү жана өткөрүү жөндөмдүүлүгү

Маалымат борборунун тиркемеси

Жогорку ылдамдыктагы фотодетекторлор маалымат борборлорунун кийинки муундагы өз ара байланышынын негизги компоненти болуп саналат. Негизги колдонмолорго төмөнкүлөр кирет: оптикалык кабыл алгыч-трансиверлер: 100G, 400G жана андан жогорку ылдамдыктар, PAM-4 модуляциясын колдонуу менен; Aжогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгү бар фотодетектор(>50 ГГц) талап кылынат.

Кремний негизиндеги оптоэлектрондук интегралдык схема: детектордун модулятор жана башка компоненттер менен монолиттик интеграциясы; Компакттуу, жогорку өндүрүмдүү оптикалык кыймылдаткыч.

Таркатылган архитектура: бөлүштүрүлгөн эсептөө, сактоо жана сактоонун ортосундагы оптикалык байланыш; Энергияны үнөмдөөчү, жогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгүндөгү фотодетекторлорго болгон суроо-талапты жогорулатуу.

Келечекке болгон көз караш

Интеграцияланган оптоэлектрондук жогорку ылдамдыктагы фотодетекторлордун келечеги төмөнкү тенденцияларды көрсөтөт:

Маалыматтарды берүүнүн жогорку ылдамдыгы: 800G жана 1.6T трансиверлерин иштеп чыгууну стимулдаштыруу; 100 ГГцден жогору өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө ээ фотодетекторлор талап кылынат.

Жакшыртылган интеграция: III-V материалынын жана кремнийдин бир чиптүү интеграциясы; Өркүндөтүлгөн 3D интеграция технологиясы.

Жаңы материалдар: өтө тез жарыкты аныктоо үчүн эки өлчөмдүү материалдарды (мисалы, графен) изилдөө; Узартылган толкун узундугун камтуу үчүн жаңы IV топтун эритмеси.

Жаңыдан пайда болуп жаткан колдонмолор: LiDAR жана башка сезүүчү колдонмолор APDнин өнүгүшүнө түрткү болууда; жогорку сызыктуу фотодетекторлорду талап кылган микротолкундуу фотон колдонмолору.

Жогорку ылдамдыктагы фотодетекторлор, айрыкча Ge же Si фотодетекторлору, кремнийге негизделген оптоэлектрониканын жана кийинки муундагы оптикалык байланыштын негизги кыймылдаткычына айланды. Келечектеги маалымат борборлорунун жана телекоммуникациялык тармактардын өсүп жаткан өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө болгон талаптарын канааттандыруу үчүн материалдардын, түзмөктөрдүн дизайнынын жана интеграциялоо технологияларынын үзгүлтүксүз жетишкендиктери маанилүү. Бул тармак өнүгүп жаткандыктан, биз жогорку өткөрүү жөндөмдүүлүгүнө, төмөнкү ызы-чууга жана электрондук жана фотондук схемалар менен үзгүлтүксүз интеграцияга ээ фотодетекторлорду көрөбүз деп күтсөк болот.