Untuk optoelektronik berbasis silikon, fotodetektor silikon (fotodetektor Si)

Untuk optoelektronik berbasis silikon, fotodetektor silikon

Fotodetektormengubah sinyal cahaya menjadi sinyal listrik, dan seiring dengan peningkatan kecepatan transfer data, fotodetektor berkecepatan tinggi yang terintegrasi dengan platform optoelektronik berbasis silikon telah menjadi kunci bagi pusat data dan jaringan telekomunikasi generasi berikutnya. Artikel ini akan memberikan gambaran umum tentang fotodetektor berkecepatan tinggi yang canggih, dengan penekanan pada germanium berbasis silikon (fotodetektor Ge atau Si)fotodetektor silikonuntuk teknologi optoelektronik terintegrasi.

Germanium merupakan material yang menarik untuk deteksi cahaya inframerah dekat pada platform silikon karena kompatibel dengan proses CMOS dan memiliki daya serap yang sangat kuat pada panjang gelombang telekomunikasi. Struktur fotodetektor Ge/Si yang paling umum adalah dioda pin, di mana germanium intrinsik diapit di antara daerah tipe-P dan tipe-N.

Struktur perangkat Gambar 1 menunjukkan pin vertikal khas Ge atauFotodetektor Sistruktur:

Fitur utamanya meliputi: lapisan penyerap germanium yang tumbuh pada substrat silikon; Digunakan untuk mengumpulkan kontak p dan n dari pembawa muatan; Kopling pandu gelombang untuk penyerapan cahaya yang efisien.

Pertumbuhan epitaksial: Menumbuhkan germanium berkualitas tinggi pada silikon merupakan tantangan karena ketidaksesuaian kisi sebesar 4,2% antara kedua material tersebut. Proses pertumbuhan dua langkah biasanya digunakan: pertumbuhan lapisan penyangga suhu rendah (300-400°C) dan pengendapan germanium suhu tinggi (di atas 600°C). Metode ini membantu mengendalikan dislokasi ulir yang disebabkan oleh ketidaksesuaian kisi. Anil pasca-pertumbuhan pada suhu 800-900°C selanjutnya mengurangi kerapatan dislokasi ulir hingga sekitar 10^7 cm^-2. Karakteristik kinerja: Fotodetektor PIN Ge/Si yang paling canggih dapat mencapai: responsivitas, > 0,8A /W pada 1550 nm; Bandwidth, >60 GHz; Arus gelap, <1 μA pada bias -1 V.

Integrasi dengan platform optoelektronik berbasis silikon

Integrasi darifotodetektor kecepatan tinggidengan platform optoelektronik berbasis silikon memungkinkan transceiver optik dan interkoneksi yang canggih. Dua metode integrasi utama adalah sebagai berikut: Integrasi front-end (FEOL), di mana fotodetektor dan transistor secara bersamaan diproduksi pada substrat silikon yang memungkinkan pemrosesan suhu tinggi, tetapi menggunakan area chip. Integrasi back-end (BEOL). Fotodetektor diproduksi di atas logam untuk menghindari gangguan dengan CMOS, tetapi terbatas pada suhu pemrosesan yang lebih rendah.

Gambar 2: Responsivitas dan bandwidth fotodetektor Ge/Si berkecepatan tinggi

Aplikasi pusat data

Fotodetektor berkecepatan tinggi merupakan komponen kunci dalam interkoneksi pusat data generasi berikutnya. Aplikasi utamanya meliputi: transceiver optik: 100G, 400G dan kecepatan yang lebih tinggi, menggunakan modulasi PAM-4;fotodetektor pita lebar(>50 GHz) diperlukan.

Sirkuit terpadu optoelektronik berbasis silikon: integrasi monolitik detektor dengan modulator dan komponen lainnya; Mesin optik yang ringkas dan berkinerja tinggi.

Arsitektur terdistribusi: interkoneksi optik antara komputasi terdistribusi, penyimpanan, dan penyimpanan; Mendorong permintaan untuk fotodetektor hemat energi dan bandwidth tinggi.

Prospek masa depan

Masa depan fotodetektor optoelektronik berkecepatan tinggi terintegrasi akan menunjukkan tren berikut:

Kecepatan data yang lebih tinggi: Mendorong pengembangan transceiver 800G dan 1,6T; Diperlukan fotodetektor dengan lebar pita lebih besar dari 100 GHz.

Integrasi yang ditingkatkan: Integrasi chip tunggal dari material III-V dan silikon; Teknologi integrasi 3D yang canggih.

Material baru: Menjelajahi material dua dimensi (seperti grafena) untuk deteksi cahaya sangat cepat; Paduan Grup IV baru untuk cakupan panjang gelombang yang diperluas.

Aplikasi yang muncul: LiDAR dan aplikasi penginderaan lainnya mendorong pengembangan APD; Aplikasi foton gelombang mikro yang membutuhkan fotodetektor linearitas tinggi.

Fotodetektor berkecepatan tinggi, khususnya fotodetektor Ge atau Si, telah menjadi pendorong utama optoelektronik berbasis silikon dan komunikasi optik generasi berikutnya. Kemajuan berkelanjutan dalam material, desain perangkat, dan teknologi integrasi penting untuk memenuhi permintaan bandwidth yang terus meningkat dari pusat data dan jaringan telekomunikasi masa depan. Seiring dengan terus berkembangnya bidang ini, kita dapat mengharapkan untuk melihat fotodetektor dengan bandwidth yang lebih tinggi, noise yang lebih rendah, dan integrasi yang mulus dengan sirkuit elektronik dan fotonik.