Для оптаэлектронікі на аснове крэмнію, крэмніевых фотадэтэктараў
Фотадэтэктарыпераўтвараюць светлавыя сігналы ў электрычныя сігналы, і па меры таго, як хуткасць перадачы дадзеных працягвае паляпшацца, высакахуткасныя фотадэтэктары, інтэграваныя з крэмніевымі оптаэлектроннымі платформамі, сталі ключавымі для цэнтраў апрацоўкі дадзеных і тэлекамунікацыйных сетак наступнага пакалення. У гэтым артыкуле будзе прадстаўлены агляд перадавых высакахуткасных фотадэтэктараў з акцэнтам на крэмніевыя германійавыя (Ge або Si фотадэтэктары).крэмніевыя фотадэтэктарыдля інтэграванай оптаэлектроннай тэхналогіі.
Германій — прывабны матэрыял для выяўлення блізкага інфрачырвонага выпраменьвання на крэмніевых платформах, паколькі ён сумяшчальны з CMOS-працэсамі і мае надзвычай моцнае паглынанне на даўжынях хваль тэлекамунікацый. Найбольш распаўсюджанай структурай фотадэтэктараў Ge/Si з'яўляецца пін-дыёд, у якім уласны германій размешчаны паміж абласцямі P-тыпу і N-тыпу.
Структура прылады На малюнку 1 паказаны тыповы вертыкальны штыфт Ge абоSi фотадэтэктарструктура:
Асноўныя характарыстыкі ўключаюць: паглынальны слой германію, вырашчаны на крэмніевай падкладцы; выкарыстоўваецца для збору p- і n-кантактаў носьбітаў зараду; хваляводную сувязь для эфектыўнага паглынання святла.
Эпітаксіяльны рост: Вырошчванне высакаякаснага германію на крэмніі з'яўляецца складанай задачай з-за неадпаведнасці рашотак 4,2% паміж двума матэрыяламі. Звычайна выкарыстоўваецца двухэтапны працэс росту: рост буфернага слоя пры нізкай тэмпературы (300-400°C) і высокатэмпературнае (вышэй за 600°C) нанясенне германію. Гэты метад дапамагае кантраляваць дыслакацыі, выкліканыя неадпаведнасцю рашотак. Адпал пасля росту пры тэмпературы 800-900°C яшчэ больш зніжае шчыльнасць дыслакацый, якія ўтвараюцца, прыкладна да 10^7 см^-2. Характарыстыкі: Найбольш перадавы PIN-фотадэтэктар Ge/Si можа дасягнуць: хуткасці рэакцыі > 0,8 А/Вт пры 1550 нм; прапускной здольнасці > 60 ГГц; цёмнага току < 1 мкА пры зрушэнні -1 В.
Інтэграцыя з кремніевымі оптаэлектроннымі платформамі
Інтэграцыявысакахуткасныя фотадэтэктарыз дапамогай крэмніевых оптаэлектронных платформаў можна ствараць перадавыя аптычныя прыёмаперадатчыкі і міжзлучэнні. Два асноўныя метады інтэграцыі наступныя: інтэграцыя на пярэднім канцы (FEOL), пры якой фотадэтэктар і транзістар адначасова вырабляюцца на крэмніевай падкладцы, што дазваляе апрацоўваць пры высокай тэмпературы, але займае плошчу чыпа. інтэграцыя на заднім канцы (BEOL). Фотадэтэктары вырабляюцца паверх металу, каб пазбегнуць перашкод для CMOS, але абмежаваныя больш нізкімі тэмпературамі апрацоўкі.
Малюнак 2: Хуткасць рэагавання і прапускная здольнасць высакахуткаснага Ge/Si фотадэтэктара
Прыкладанне для цэнтра апрацоўкі дадзеных
Высокахуткасныя фотадэтэктары з'яўляюцца ключавым кампанентам наступнага пакалення ўзаемасувязі цэнтраў апрацоўкі дадзеных. Асноўныя сферы прымянення ўключаюць: аптычныя прыёмаперадатчыкі: хуткасці 100G, 400G і вышэй, якія выкарыстоўваюць мадуляцыю PAM-4;фотадэтэктар з высокай прапускной здольнасцю(>50 ГГц) патрабуецца.
Крэмніевая оптаэлектронная інтэгральная схема: маналітная інтэграцыя дэтэктара з мадулятарам і іншымі кампанентамі; кампактны, высокапрадукцыйны аптычны рухавік.
Размеркаваная архітэктура: аптычная ўзаемасувязь паміж размеркаванымі вылічэннямі, сховішчам дадзеных і сховішчам дадзеных; стымуляванне попыту на энергаэфектыўныя фотадэтэктары з высокай прапускной здольнасцю.
Перспектывы на будучыню
Будучыня інтэграваных оптаэлектронных высакахуткасных фотадэтэктараў будзе праяўляць наступныя тэндэнцыі:
Больш высокая хуткасць перадачы дадзеных: стымуляванне распрацоўкі прыёмаперадатчыкаў 800G і 1.6T; неабходныя фотадэтэктары з прапускной здольнасцю больш за 100 ГГц.
Палепшаная інтэграцыя: інтэграцыя матэрыялу III-V і крэмнію ў адзін чып; перадавая тэхналогія 3D-інтэграцыі.
Новыя матэрыялы: вывучэнне двухмерных матэрыялаў (такіх як графен) для звышхуткага выяўлення святла; новы сплаў групы IV для пашыранага ахопу даўжынь хваль.
Новыя сферы прымянення: LiDAR і іншыя сэнсарныя тэхналогіі стымулююць развіццё лабавога фотадынамічнага дыфрактозу (APD); мікрахвалевыя фатонныя тэхналогіі, якія патрабуюць фотадэтэктараў з высокай лінейнасцю.
Высокахуткасныя фотадэтэктары, асабліва германіевыя або крэмніевыя фотадэтэктары, сталі ключавым рухавіком оптаэлектронікі на аснове крэмнію і аптычнай сувязі наступнага пакалення. Пастаяннае развіццё матэрыялаў, канструкцыі прылад і тэхналогій інтэграцыі важнае для задавальнення растучых патрабаванняў да прапускной здольнасці будучых цэнтраў апрацоўкі дадзеных і тэлекамунікацыйных сетак. Па меры развіцця гэтай галіны мы можам чакаць фотадэтэктараў з большай прапускной здольнасцю, меншым шумам і бясшвоўнай інтэграцыяй з электроннымі і фатоннымі схемамі.
Час публікацыі: 20 студзеня 2025 г.