სილიკონზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონიკისთვის, სილიკონის ფოტოდეტექტორები
ფოტოდეტექტორებისინათლის სიგნალებს ელექტრულ სიგნალებად გარდაქმნის და მონაცემთა გადაცემის სიჩქარის გაუმჯობესების კვალდაკვალ, სილიკონზე დაფუძნებულ ოპტოელექტრონიკულ პლატფორმებთან ინტეგრირებული მაღალსიჩქარიანი ფოტოდეტექტორები ახალი თაობის მონაცემთა ცენტრებისა და სატელეკომუნიკაციო ქსელების გასაღები გახდა. ეს სტატია მოგაწვდით მოწინავე მაღალსიჩქარიანი ფოტოდეტექტორების მიმოხილვას, სილიკონზე დაფუძნებულ გერმანიუმზე (Ge ან Si ფოტოდეტექტორი) აქცენტით.სილიკონის ფოტოდეტექტორებიინტეგრირებული ოპტოელექტრონული ტექნოლოგიისთვის.
გერმანიუმი მიმზიდველი მასალაა სილიკონის პლატფორმებზე ახლო ინფრაწითელი სინათლის აღმოსაჩენად, რადგან ის თავსებადია CMOS პროცესებთან და აქვს უკიდურესად ძლიერი შთანთქმა ტელეკომუნიკაციის ტალღის სიგრძეებზე. ყველაზე გავრცელებული Ge/Si ფოტოდეტექტორის სტრუქტურა არის პინ-დიოდი, რომელშიც შინაგანი გერმანიუმი მოთავსებულია P-ტიპის და N-ტიპის რეგიონებს შორის.
მოწყობილობის სტრუქტურა სურათი 1 გვიჩვენებს ტიპურ ვერტიკალურ ქინძისთავს Ge ანSi ფოტოდეტექტორისტრუქტურა:
ძირითადი მახასიათებლებია: გერმანიუმის შთამნთქმელი ფენა, რომელიც გაზრდილია სილიციუმის სუბსტრატზე; გამოიყენება მუხტის მატარებლების p და n კონტაქტების შესაგროვებლად; ტალღის გამტარი შეერთება სინათლის ეფექტური შთანთქმისთვის.
ეპიტაქსიური ზრდა: მაღალი ხარისხის გერმანიუმის სილიციუმზე გაზრდა რთულია ორ მასალას შორის ბადისებრი სტრუქტურის 4.2%-იანი შეუსაბამობის გამო. ჩვეულებრივ, გამოიყენება ორეტაპიანი ზრდის პროცესი: დაბალ ტემპერატურაზე (300-400°C) ბუფერული ფენის ზრდა და მაღალ ტემპერატურაზე (600°C-ზე მეტი) გერმანიუმის დეპონირება. ეს მეთოდი ხელს უწყობს ბადისებრი სტრუქტურის შეუსაბამობით გამოწვეული ხრახნიანი დისლოკაციების კონტროლს. ზრდის შემდგომი გახურება 800-900°C-ზე კიდევ უფრო ამცირებს ხრახნიანი დისლოკაციის სიმკვრივეს დაახლოებით 10^7 სმ^-2-მდე. მახასიათებლები: ყველაზე თანამედროვე Ge/Si PIN ფოტოდეტექტორს შეუძლია მიაღწიოს: რეაგირებას > 0.8 ა/ვტ 1550 ნმ-ზე; გამტარუნარიანობას >60 გჰც; სიბნელის დენს <1 μA -1 ვ გადახრაზე.
ინტეგრაცია სილიკონზე დაფუძნებულ ოპტოელექტრონიკულ პლატფორმებთან
ინტეგრაციამაღალსიჩქარიანი ფოტოდეტექტორებისილიკონზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონული პლატფორმებით, ტექნოლოგია საშუალებას იძლევა შეიქმნას მოწინავე ოპტიკური გადამცემ-მიმღებები და ურთიერთდაკავშირებულები. ინტეგრაციის ორი ძირითადი მეთოდია: წინა დონის ინტეგრაცია (FEOL), სადაც ფოტოდეტექტორი და ტრანზისტორი ერთდროულად იწარმოება სილიკონის სუბსტრატზე, რაც საშუალებას იძლევა მაღალტემპერატურულ დამუშავებას, მაგრამ იკავებს ჩიპის ფართობს. უკანა დონის ინტეგრაცია (BEOL). ფოტოდეტექტორები იწარმოება ლითონის ზედაპირზე CMOS-თან ჩარევის თავიდან ასაცილებლად, მაგრამ შემოიფარგლება დამუშავების დაბალი ტემპერატურებით.
სურათი 2: მაღალსიჩქარიანი Ge/Si ფოტოდეტექტორის მგრძნობელობა და გამტარობა
მონაცემთა ცენტრის აპლიკაცია
მაღალსიჩქარიანი ფოტოდეტექტორები მონაცემთა ცენტრების ურთიერთდაკავშირების შემდეგი თაობის ძირითად კომპონენტს წარმოადგენენ. ძირითადი გამოყენება მოიცავს: ოპტიკურ გადამცემ-მიმღებებს: 100G, 400G და უფრო მაღალი სიჩქარით, PAM-4 მოდულაციის გამოყენებით; Aმაღალი გამტარუნარიანობის ფოტოდეტექტორისაჭიროა (>50 გჰც).
სილიკონზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონული ინტეგრირებული სქემა: დეტექტორის მოდულატორთან და სხვა კომპონენტებთან მონოლითური ინტეგრაცია; კომპაქტური, მაღალი ხარისხის ოპტიკური ძრავა.
განაწილებული არქიტექტურა: ოპტიკური ურთიერთდაკავშირება განაწილებულ გამოთვლებს, შენახვასა და შენახვას შორის; ენერგოეფექტური, მაღალი გამტარუნარიანობის ფოტოდეტექტორების მოთხოვნის გაზრდა.
მომავლის პერსპექტივა
ინტეგრირებული ოპტოელექტრონული მაღალსიჩქარიანი ფოტოდეტექტორების მომავალი აჩვენებს შემდეგ ტენდენციებს:
უფრო მაღალი მონაცემთა გადაცემის სიჩქარე: 800G და 1.6T გადამცემ-მიმღებების შემუშავების ხელშეწყობა; საჭიროა 100 გჰც-ზე მეტი გამტარუნარიანობის მქონე ფოტოდეტექტორები.
გაუმჯობესებული ინტეგრაცია: III-V მასალისა და სილიკონის ერთჩიპიანი ინტეგრაცია; მოწინავე 3D ინტეგრაციის ტექნოლოგია.
ახალი მასალები: ორგანზომილებიანი მასალების (მაგალითად, გრაფენის) შესწავლა ულტრასწრაფი სინათლის აღმოსაჩენად; ახალი IV ჯგუფის შენადნობი გაფართოებული ტალღის სიგრძის დაფარვისთვის.
ახალი გამოყენებები: LiDAR და სხვა სენსორული გამოყენებები ხელს უწყობს APD-ის განვითარებას; მიკროტალღური ფოტონების გამოყენებები, რომლებიც მაღალი წრფივობის ფოტოდეტექტორებს საჭიროებენ.
მაღალსიჩქარიანი ფოტოდეტექტორები, განსაკუთრებით Ge ან Si ფოტოდეტექტორები, სილიციუმზე დაფუძნებული ოპტოელექტრონიკისა და ახალი თაობის ოპტიკური კომუნიკაციების მთავარ მამოძრავებელ ძალად იქცა. მასალების, მოწყობილობების დიზაინისა და ინტეგრაციის ტექნოლოგიების უწყვეტი განვითარება მნიშვნელოვანია მომავალი მონაცემთა ცენტრებისა და ტელეკომუნიკაციების ქსელების მზარდი გამტარუნარიანობის მოთხოვნების დასაკმაყოფილებლად. რადგან სფერო აგრძელებს განვითარებას, შეგვიძლია ველოდოთ ფოტოდეტექტორებს უფრო მაღალი გამტარუნარიანობით, დაბალი ხმაურით და ელექტრონულ და ფოტონურ სქემებთან შეუფერხებელი ინტეგრაციით.
გამოქვეყნების დრო: 2025 წლის 20 იანვარი