Սիլիցիումի վրա հիմնված օպտոէլեկտրոնիկայի, սիլիցիումի լուսադետեկտորների համար
Ֆոտոդետեկտորներլույսի ազդանշանները վերածում են էլեկտրական ազդանշանների, և քանի որ տվյալների փոխանցման արագությունը շարունակում է բարելավվել, սիլիցիումի վրա հիմնված օպտոէլեկտրոնային հարթակների հետ ինտեգրված բարձր արագության լուսադետեկտորները դարձել են հաջորդ սերնդի տվյալների կենտրոնների և հեռահաղորդակցության ցանցերի բանալին։ Այս հոդվածը կներկայացնի առաջադեմ բարձր արագության լուսադետեկտորների ակնարկ՝ շեշտը դնելով սիլիցիումի վրա հիմնված գերմանիումի (Ge կամ Si լուսադետեկտոր) վրա։սիլիկոնային լուսադետեկտորներինտեգրված օպտոէլեկտրոնային տեխնոլոգիայի համար։
Գերմանիումը գրավիչ նյութ է սիլիցիումային հարթակների վրա մոտ ինֆրակարմիր լույսի հայտնաբերման համար, քանի որ այն համատեղելի է CMOS պրոցեսների հետ և ունի չափազանց ուժեղ կլանում հեռահաղորդակցական ալիքի երկարություններում: Ամենատարածված Ge/Si լուսադետեկտորային կառուցվածքը պին-դիոդն է, որտեղ ներքին գերմանիումը տեղադրված է P-տիպի և N-տիպի շրջանների միջև:
Սարքի կառուցվածքը Նկար 1-ը ցույց է տալիս Ge կամSi լուսադետեկտորկառուցվածքը:
Հիմնական առանձնահատկություններն են՝ սիլիցիումային հիմքի վրա աճեցված գերմանիումի կլանող շերտ, որն օգտագործվում է լիցքակիրների p և n կոնտակտները հավաքելու համար, ալիքատար միացում՝ լույսի արդյունավետ կլանման համար։
Էպիտաքսիալ աճ. Սիլիցիումի վրա բարձրորակ գերմանիումի աճեցումը մարտահրավեր է երկու նյութերի միջև ցանցի 4.2% անհամապատասխանության պատճառով: Սովորաբար օգտագործվում է երկփուլ աճի գործընթաց՝ ցածր ջերմաստիճանում (300-400°C) բուֆերային շերտի աճ և գերմանիումի բարձր ջերմաստիճանում (600°C-ից բարձր) նստեցում: Այս մեթոդը օգնում է վերահսկել ցանցի անհամապատասխանություններից առաջացած թելային դիսլոկացիաները: Աճից հետո թրծումը 800-900°C-ում էլ ավելի է նվազեցնում թելային դիսլոկացիայի խտությունը մինչև մոտ 10^7 սմ^-2: Արդյունավետության բնութագրեր. Ամենաառաջադեմ Ge/Si PIN լուսադետեկտորը կարող է ապահովել. արձագանքելիություն՝ > 0.8A/W 1550 նմ-ում; թողունակություն՝ >60 GHz; մութ հոսանք՝ <1 μA -1 V լարման դեպքում:
Ինտեգրացիա սիլիցիումային օպտոէլեկտրոնային հարթակների հետ
Ինտեգրացիանբարձր արագության լուսադետեկտորներՍիլիցիումի վրա հիմնված օպտոէլեկտրոնային հարթակների հետ համատեղ օգտագործումը հնարավորություն է տալիս ստեղծել առաջադեմ օպտիկական ընդունիչ-հաղորդիչներ և միջմիավորներ: Ինտեգրման երկու հիմնական մեթոդներն են՝ առջևի ինտեգրացիա (FEOL), որտեղ լուսադետեկտորը և տրանզիստորը միաժամանակ արտադրվում են սիլիցիումային հիմքի վրա, որը թույլ է տալիս բարձր ջերմաստիճանային մշակում, բայց զբաղեցնում է չիպի տարածք: Հետևի ինտեգրացիա (BEOL): Լուսադետեկտորները արտադրվում են մետաղի վրա՝ CMOS-ի հետ միջամտությունից խուսափելու համար, բայց սահմանափակվում են ցածր մշակման ջերմաստիճաններով:
Նկար 2. Բարձր արագությամբ Ge/Si լուսադետեկտորի արձագանքունակությունը և թողունակությունը
Տվյալների կենտրոնի հավելված
Բարձր արագության լուսադետեկտորները տվյալների կենտրոնների հաջորդ սերնդի փոխկապակցման հիմնական բաղադրիչներն են։ Հիմնական կիրառությունները ներառում են՝ օպտիկական փոխանցող-հաղորդիչներ՝ 100G, 400G և ավելի բարձր արագություններ, որոնք օգտագործում են PAM-4 մոդուլյացիա։բարձր թողունակությամբ լուսադետեկտոր(>50 ԳՀց) է պահանջվում։
Սիլիցիումային օպտոէլեկտրոնային ինտեգրալային սխեմա. դետեկտորի մոնոլիտ ինտեգրում մոդուլյատորի և այլ բաղադրիչների հետ։ Կոմպակտ, բարձր արդյունավետությամբ օպտիկական շարժիչ։
Բաշխված ճարտարապետություն. բաշխված հաշվարկների, պահեստավորման և պահեստավորման միջև օպտիկական փոխկապակցվածություն։ Բարձրացնում է էներգաարդյունավետ, բարձր թողունակությամբ լուսադետեկտորների պահանջարկը։
Ապագայի հեռանկար
Ինտեգրված օպտոէլեկտրոնային բարձր արագությամբ լուսադետեկտորների ապագան կցուցադրի հետևյալ միտումները.
Ավելի բարձր տվյալների փոխանցման արագություն. խթանում է 800G և 1.6T ընդունիչ-ընդունիչների մշակումը։ Պահանջվում են 100 ԳՀց-ից մեծ թողունակությամբ լուսադետեկտորներ։
Բարելավված ինտեգրացիա. III-V նյութի և սիլիցիումի մեկ չիպային ինտեգրացիա; Առաջադեմ 3D ինտեգրման տեխնոլոգիա։
Նոր նյութեր. երկչափ նյութերի (օրինակ՝ գրաֆենի) ուսումնասիրություն գերարագ լույսի հայտնաբերման համար։ IV խմբի նոր համաձուլվածք՝ ալիքի երկարության ընդլայնված ծածկույթի համար։
Զարգացող կիրառություններ. LiDAR-ը և այլ զգայարանային կիրառությունները խթանում են APD-ի զարգացումը. միկրոալիքային ֆոտոնային կիրառություններ, որոնք պահանջում են բարձր գծային լուսադետեկտորներ։
Բարձր արագությամբ լուսադետեկտորները, մասնավորապես Ge կամ Si լուսադետեկտորները, դարձել են սիլիցիումային օպտոէլեկտրոնիկայի և հաջորդ սերնդի օպտիկական կապի հիմնական շարժիչ ուժը: Նյութերի, սարքերի նախագծման և ինտեգրման տեխնոլոգիաների շարունակական առաջընթացը կարևոր է ապագա տվյալների կենտրոնների և հեռահաղորդակցության ցանցերի աճող թողունակության պահանջները բավարարելու համար: Քանի որ ոլորտը շարունակում է զարգանալ, մենք կարող ենք ակնկալել տեսնել լուսադետեկտորներ՝ ավելի բարձր թողունակությամբ, ցածր աղմուկով և էլեկտրոնային և ֆոտոնային սխեմաների հետ անխափան ինտեգրմամբ:
Հրապարակման ժամանակը. Հունվար-20-2025