Ar gyfer optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon, ffotosynhwyryddion silicon (ffotosynhwyrydd Si)

Ar gyfer optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon, ffotosynhwyryddion silicon

Ffotosynwyryddiontrosi signalau golau yn signalau trydanol, ac wrth i gyfraddau trosglwyddo data barhau i wella, mae ffotosynhwyryddion cyflym wedi'u hintegreiddio â llwyfannau optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon wedi dod yn allweddol i ganolfannau data a rhwydweithiau telathrebu'r genhedlaeth nesaf. Bydd yr erthygl hon yn rhoi trosolwg o ffotosynhwyryddion cyflym uwch, gyda phwyslais ar germaniwm sy'n seiliedig ar silicon (ffotosynhwyrydd Ge neu Si)ffotosynhwyryddion siliconar gyfer technoleg optoelectroneg integredig.

Mae germaniwm yn ddeunydd deniadol ar gyfer canfod golau is-goch agos ar lwyfannau silicon oherwydd ei fod yn gydnaws â phrosesau CMOS ac mae ganddo amsugniad cryf iawn ar donfeddi telathrebu. Y strwythur ffotosynhwyrydd Ge/Si mwyaf cyffredin yw'r deuod pin, lle mae'r germaniwm cynhenid ​​wedi'i osod rhwng y rhanbarthau math-P a math-N.

Strwythur y ddyfais Mae Ffigur 1 yn dangos pin fertigol nodweddiadol Ge neuFfotosynhwyrydd Sistrwythur:

Mae'r prif nodweddion yn cynnwys: haen amsugno germaniwm wedi'i thyfu ar swbstrad silicon; Wedi'i ddefnyddio i gasglu cysylltiadau p ac n cludwyr gwefr; Cyplu tonfeddi ar gyfer amsugno golau effeithlon.

Twf epitacsial: Mae tyfu germaniwm o ansawdd uchel ar silicon yn heriol oherwydd y gwahaniaeth o 4.2% yn y dellt rhwng y ddau ddeunydd. Fel arfer defnyddir proses dyfu dau gam: twf haen byffer tymheredd isel (300-400°C) a dyddodiad germaniwm tymheredd uchel (uwchlaw 600°C). Mae'r dull hwn yn helpu i reoli dadleoliadau edafu a achosir gan anghydweddiadau dellt. Mae anelio ôl-dwf ar 800-900°C yn lleihau dwysedd dadleoliad edafu ymhellach i tua 10^7 cm^-2. Nodweddion perfformiad: Gall y ffotosynhwyrydd PIN Ge/Si mwyaf datblygedig gyflawni: ymatebolrwydd, > 0.8A /W ar 1550 nm; Lled band, >60 GHz; Cerrynt tywyll, <1 μA ar duedd -1 V.

Integreiddio â llwyfannau optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon

Integreiddioffotosynhwyryddion cyflymder uchelgyda llwyfannau optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon yn galluogi trawsderbynyddion a rhyng-gysylltiadau optegol uwch. Y ddau brif ddull integreiddio yw'r canlynol: Integreiddio blaen-ben (FEOL), lle mae'r ffotosynhwyrydd a'r transistor yn cael eu cynhyrchu ar yr un pryd ar swbstrad silicon gan ganiatáu ar gyfer prosesu tymheredd uchel, ond gan gymryd ardal sglodion. Integreiddio cefn-ben (BEOL). Mae ffotosynhwyryddion yn cael eu cynhyrchu ar ben y metel i osgoi ymyrraeth â CMOS, ond maent yn gyfyngedig i dymheredd prosesu is.

Ffigur 2: Ymatebolrwydd a lled band ffotosynhwyrydd Ge/Si cyflym

Cais canolfan ddata

Mae ffotosynhwyryddion cyflymder uchel yn elfen allweddol yn y genhedlaeth nesaf o ryng-gysylltu canolfannau data. Mae'r prif gymwysiadau'n cynnwys: trawsderbynyddion optegol: 100G, 400G a chyfraddau uwch, gan ddefnyddio modiwleiddio PAM-4; Affotosynhwyrydd lled band uchelMae angen (>50 GHz).

Cylched integredig optoelectronig wedi'i seilio ar silicon: integreiddio monolithig o synhwyrydd gyda modiwleiddiwr a chydrannau eraill; Peiriant optegol cryno, perfformiad uchel.

Pensaernïaeth ddosbarthedig: rhyng-gysylltiad optegol rhwng cyfrifiadura dosbarthedig, storio a storio; Gyrru'r galw am ffotosynhwyryddion lled band uchel sy'n effeithlon o ran ynni.

Rhagolygon y dyfodol

Bydd dyfodol synhwyryddion ffoto-gyflym optoelectronig integredig yn dangos y tueddiadau canlynol:

Cyfraddau data uwch: Yn gyrru datblygiad trawsderbynyddion 800G ac 1.6T; Mae angen ffotosynhwyryddion â lled band sy'n fwy na 100 GHz.

Integreiddio gwell: Integreiddio sglodion sengl o ddeunydd III-V a silicon; Technoleg integreiddio 3D uwch.

Deunyddiau newydd: Archwilio deunyddiau dau ddimensiwn (fel graffen) ar gyfer canfod golau cyflym iawn; Aloi Grŵp IV newydd ar gyfer cwmpas tonfedd estynedig.

Cymwysiadau sy'n dod i'r amlwg: Mae LiDAR a chymwysiadau synhwyro eraill yn sbarduno datblygiad APD; Cymwysiadau ffoton microdon sy'n gofyn am ffotosynhwyryddion llinoledd uchel.

Mae ffotosynhwyryddion cyflym, yn enwedig ffotosynhwyryddion Ge neu Si, wedi dod yn brif ysgogydd optoelectroneg sy'n seiliedig ar silicon a chyfathrebu optegol y genhedlaeth nesaf. Mae datblygiadau parhaus mewn deunyddiau, dylunio dyfeisiau, a thechnolegau integreiddio yn bwysig i ddiwallu'r galw cynyddol am led band canolfannau data a rhwydweithiau telathrebu yn y dyfodol. Wrth i'r maes barhau i esblygu, gallwn ddisgwyl gweld ffotosynhwyryddion â lled band uwch, sŵn is, ac integreiddio di-dor â chylchedau electronig a ffotonig.