Para optoelectrónica baseada en silicio, fotodetectores de silicio
Fotodetectoresconverter os sinais luminosos en sinais eléctricos e, a medida que as taxas de transferencia de datos seguen mellorando, os fotodetectores de alta velocidade integrados con plataformas optoelectrónicas baseadas en silicio convertéronse en clave para os centros de datos e as redes de telecomunicacións de próxima xeración. Este artigo ofrecerá unha visión xeral dos fotodetectores avanzados de alta velocidade, con énfase no fotodetector de xermanio baseado en silicio (Ge ou Si)fotodetectores de siliciopara a tecnoloxía optoelectrónica integrada.
O xermanio é un material atractivo para a detección de luz infravermella próxima en plataformas de silicio porque é compatible cos procesos CMOS e ten unha absorción extremadamente forte en lonxitudes de onda de telecomunicacións. A estrutura de fotodetector Ge/Si máis común é o díodo pin, no que o xermanio intrínseco está intercalado entre as rexións de tipo P e tipo N.
Estrutura do dispositivo A figura 1 mostra un pin vertical típico de Ge ouFotodetector de Siestrutura:
As principais características inclúen: capa absorbente de xermanio cultivada sobre substrato de silicio; úsase para recoller os contactos p e n dos portadores de carga; acoplamento de guía de ondas para unha absorción eficiente da luz.
Crecemento epitaxial: O cultivo de xermanio de alta calidade en silicio é complexo debido á discrepancia de rede do 4,2 % entre os dous materiais. Normalmente utilízase un proceso de crecemento en dous pasos: crecemento da capa tampón a baixa temperatura (300-400 °C) e deposición de xermanio a alta temperatura (por riba dos 600 °C). Este método axuda a controlar as dislocacións de roscado causadas por discrepancias de rede. O recocido posterior ao crecemento a 800-900 °C reduce aínda máis a densidade de dislocacións de roscado a aproximadamente 10^7 cm^-2. Características de rendemento: O fotodetector PIN de Ge/Si máis avanzado pode conseguir: capacidade de resposta > 0,8 A/W a 1550 nm; ancho de banda >60 GHz; corrente de escuridade <1 μA a unha polarización de -1 V.
Integración con plataformas optoelectrónicas baseadas en silicio
A integración defotodetectores de alta velocidadecon plataformas optoelectrónicas baseadas en silicio permite transceptores e interconexións ópticas avanzadas. Os dous métodos de integración principais son os seguintes: Integración frontal (FEOL), onde o fotodetector e o transistor se fabrican simultaneamente nun substrato de silicio, o que permite o procesamento a alta temperatura, pero ocupando área do chip. Integración posterior (BEOL). Os fotodetectores fabrícanse sobre o metal para evitar interferencias co CMOS, pero están limitados a temperaturas de procesamento máis baixas.
Figura 2: Capacidade de resposta e ancho de banda dun fotodetector de Ge/Si de alta velocidade
Aplicación de centro de datos
Os fotodetectores de alta velocidade son un compoñente clave na próxima xeración de interconexión de centros de datos. As principais aplicacións inclúen: transceptores ópticos: 100G, 400G e taxas superiores, usando modulación PAM-4; Afotodetector de alta banda de banda(>50 GHz) é necesario.
Circuíto integrado optoelectrónico baseado en silicio: integración monolítica do detector co modulador e outros compoñentes; un motor óptico compacto de alto rendemento.
Arquitectura distribuída: interconexión óptica entre computación distribuída, almacenamento e almacenamento; Impulsando a demanda de fotodetectores de alta largura de banda e eficiencia enerxética.
Perspectivas de futuro
O futuro dos fotodetectores optoelectrónicos integrados de alta velocidade mostrará as seguintes tendencias:
Maiores taxas de datos: impulsando o desenvolvemento de transceptores de 800G e 1,6T; requírense fotodetectores con anchos de banda superiores a 100 GHz.
Integración mellorada: integración dun só chip de material III-V e silicio; tecnoloxía avanzada de integración 3D.
Novos materiais: Exploración de materiais bidimensionais (como o grafeno) para a detección ultrarrápida de luz; Unha nova aliaxe do Grupo IV para unha cobertura de lonxitudes de onda estendida.
Aplicacións emerxentes: o LiDAR e outras aplicacións de detección están a impulsar o desenvolvemento da APD; as aplicacións de fotóns de microondas requiren fotodetectores de alta linealidade.
Os fotodetectores de alta velocidade, especialmente os fotodetectores de Ge ou Si, convertéronse nun factor clave da optoelectrónica baseada en silicio e das comunicacións ópticas de próxima xeración. Os avances continuos nos materiais, no deseño de dispositivos e nas tecnoloxías de integración son importantes para satisfacer as crecentes demandas de ancho de banda dos futuros centros de datos e redes de telecomunicacións. A medida que o campo continúa evolucionando, podemos esperar ver fotodetectores con maior ancho de banda, menor ruído e integración perfecta con circuítos electrónicos e fotónicos.
Data de publicación: 20 de xaneiro de 2025