สำหรับออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน เครื่องตรวจจับภาพซิลิกอน
เครื่องตรวจจับแสงแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า และในขณะที่อัตราการถ่ายโอนข้อมูลยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงที่ผสานรวมกับแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนได้กลายเป็นกุญแจสำคัญสำหรับศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคมยุคใหม่ บทความนี้จะนำเสนอภาพรวมของเครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงขั้นสูง โดยเน้นที่เจอร์เมเนียมที่ใช้ซิลิคอน (เครื่องตรวจจับแสง Ge หรือ Si)เครื่องตรวจจับแสงซิลิคอนสำหรับเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ
เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการตรวจจับแสงอินฟราเรดใกล้บนแพลตฟอร์มซิลิกอน เนื่องจากสามารถใช้งานร่วมกับกระบวนการ CMOS และมีการดูดกลืนแสงที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคมได้สูงมาก โครงสร้างตัวตรวจจับโฟโตอิเล็กทริก Ge/Si ที่พบมากที่สุดคือไดโอดพิน ซึ่งเจอร์เมเนียมแท้ถูกประกบอยู่ระหว่างบริเวณชนิด P และชนิด N
โครงสร้างอุปกรณ์ รูปที่ 1 แสดงหมุดแนวตั้งทั่วไป Ge หรือเครื่องตรวจจับภาพ Siโครงสร้าง:
คุณสมบัติหลัก ได้แก่: ชั้นดูดซับเจอร์เมเนียมที่ปลูกบนซับสเตรตซิลิกอน ใช้ในการรวบรวมจุดสัมผัส p และ n ของตัวพาประจุ การเชื่อมต่อคลื่นนำทางเพื่อการดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพ
การเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียล: การปลูกเจอร์เมเนียมคุณภาพสูงบนซิลิคอนเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายระหว่างวัสดุทั้งสองเพียง 4.2% กระบวนการปลูกแบบสองขั้นตอนมักใช้ ได้แก่ การปลูกชั้นบัฟเฟอร์ที่อุณหภูมิต่ำ (300-400°C) และการสะสมเจอร์เมเนียมที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 600°C) วิธีนี้ช่วยควบคุมความคลาดเคลื่อนของเกลียวที่เกิดจากความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย การอบอ่อนหลังการปลูกที่อุณหภูมิ 800-900°C ช่วยลดความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนของเกลียวลงเหลือประมาณ 10^7 cm^-2 คุณสมบัติด้านประสิทธิภาพ: เครื่องตรวจจับภาพแบบ PIN Ge/Si ที่ทันสมัยที่สุดสามารถทำได้: การตอบสนอง > 0.8A/W ที่ 1550 นาโนเมตร; แบนด์วิดท์ >60 GHz; กระแสมืด <1 μA ที่ไบอัส -1 V
การบูรณาการกับแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน
การบูรณาการของเครื่องตรวจจับภาพความเร็วสูงแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนช่วยให้สามารถใช้งานตัวรับส่งสัญญาณแสงและการเชื่อมต่อแบบออปติคัลขั้นสูงได้ วิธีการผสานรวมหลักสองวิธีมีดังนี้: การผสานรวมส่วนหน้า (Front-end Integration: FEOL) ซึ่งตัวตรวจจับแสงและทรานซิสเตอร์จะถูกผลิตพร้อมกันบนแผ่นซิลิคอน เพื่อให้สามารถประมวลผลที่อุณหภูมิสูงได้ แต่กินพื้นที่ชิป การผสานรวมส่วนหลัง (Back-end Integration: BEOL) ตัวตรวจจับแสงถูกผลิตบนโลหะเพื่อป้องกันการรบกวน CMOS แต่จำกัดเฉพาะอุณหภูมิในการประมวลผลที่ต่ำกว่า
รูปที่ 2: การตอบสนองและแบนด์วิดท์ของเครื่องตรวจจับภาพ Ge/Si ความเร็วสูง
แอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูล
เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงเป็นส่วนประกอบสำคัญในการเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลยุคใหม่ การใช้งานหลักๆ ได้แก่: ตัวรับส่งสัญญาณแสง: อัตรา 100G, 400G และสูงกว่า โดยใช้การมอดูเลตแบบ PAM-4;เครื่องตรวจจับภาพแบนด์วิดท์สูง(>50 GHz) เป็นสิ่งจำเป็น
วงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบซิลิกอน: การผสานรวมแบบโมโนลิธิกของเครื่องตรวจจับกับตัวปรับเปลี่ยนและส่วนประกอบอื่นๆ เครื่องออปติกประสิทธิภาพสูงแบบกะทัดรัด
สถาปัตยกรรมแบบกระจาย: การเชื่อมต่อทางแสงระหว่างการประมวลผลแบบกระจาย การจัดเก็บ และระบบจัดเก็บข้อมูล ขับเคลื่อนความต้องการสำหรับเครื่องตรวจจับภาพแบนด์วิดท์สูงที่ประหยัดพลังงาน
แนวโน้มในอนาคต
อนาคตของเครื่องตรวจจับโฟโต้ความเร็วสูงแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการจะแสดงให้เห็นแนวโน้มต่อไปนี้:
อัตราข้อมูลที่สูงขึ้น: ขับเคลื่อนการพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณ 800G และ 1.6T ต้องใช้เครื่องตรวจจับภาพที่มีแบนด์วิดท์มากกว่า 100 GHz
การผสานรวมที่ได้รับการปรับปรุง: การผสานรวมชิปเดี่ยวของวัสดุ III-V และซิลิกอน เทคโนโลยีการผสานรวม 3D ขั้นสูง
วัสดุใหม่: การสำรวจวัสดุสองมิติ (เช่น กราฟีน) สำหรับการตรวจจับแสงที่รวดเร็วเป็นพิเศษ โลหะผสมกลุ่ม IV ใหม่สำหรับการครอบคลุมความยาวคลื่นที่ขยายออกไป
แอปพลิเคชันที่เกิดขึ้นใหม่: LiDAR และแอปพลิเคชันการตรวจจับอื่นๆ กำลังขับเคลื่อนการพัฒนา APD แอปพลิเคชันโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการเครื่องตรวจจับโฟโตเชิงเส้นสูง
เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเครื่องตรวจจับแสง Ge หรือ Si ได้กลายเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิคอนและการสื่อสารด้วยแสงยุคใหม่ ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุ การออกแบบอุปกรณ์ และเทคโนโลยีการผสานรวมเป็นสิ่งสำคัญเพื่อตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นของศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคมในอนาคต ในขณะที่สาขานี้ยังคงพัฒนาต่อไป เราคาดว่าจะได้เห็นเครื่องตรวจจับแสงที่มีแบนด์วิดท์สูงขึ้น สัญญาณรบกวนต่ำลง และการผสานรวมกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ได้อย่างราบรื่น
เวลาโพสต์: 20 ม.ค. 2568