สำหรับออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน เครื่องตรวจจับภาพซิลิกอน
เครื่องตรวจจับแสงแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า และเนื่องจากอัตราการถ่ายโอนข้อมูลยังคงปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงที่รวมเข้ากับแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนจึงกลายเป็นกุญแจสำคัญสำหรับศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคมรุ่นต่อไป บทความนี้จะให้ข้อมูลสรุปเกี่ยวกับเครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงขั้นสูง โดยเน้นที่เจอร์เมเนียมที่ใช้ซิลิกอน (เครื่องตรวจจับแสง Ge หรือ Si)เครื่องตรวจจับแสงซิลิกอนสำหรับเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ
เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการตรวจจับแสงอินฟราเรดใกล้บนแพลตฟอร์มซิลิกอน เนื่องจากเข้ากันได้กับกระบวนการ CMOS และมีการดูดซับที่แข็งแกร่งมากที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม โครงสร้างโฟโตดีเทกเตอร์ Ge/Si ที่พบมากที่สุดคือไดโอดพิน ซึ่งเจอร์เมเนียมที่แท้จริงจะอยู่ระหว่างบริเวณประเภท P และประเภท N
โครงสร้างอุปกรณ์ รูปที่ 1 แสดงพินแนวตั้งแบบทั่วไป Ge หรือเครื่องตรวจจับภาพ Siโครงสร้าง:
คุณสมบัติหลัก ได้แก่: ชั้นดูดซับเจอร์เมเนียมที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอน ใช้ในการรวบรวมจุดสัมผัส p และ n ของตัวพาประจุ การเชื่อมต่อคลื่นนำทางเพื่อการดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพ
การเจริญเติบโตของเอพิแทกเซียล: การปลูกเจอร์เมเนียมคุณภาพสูงบนซิลิกอนเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย 4.2% ระหว่างวัสดุทั้งสอง โดยทั่วไปจะใช้กระบวนการปลูกสองขั้นตอน ได้แก่ การปลูกชั้นบัฟเฟอร์ที่อุณหภูมิต่ำ (300-400°C) และการสะสมเจอร์เมเนียมที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 600°C) วิธีนี้ช่วยควบคุมการเคลื่อนตัวของเกลียวที่เกิดจากความไม่ตรงกันของโครงตาข่าย การอบหลังการเจริญเติบโตที่อุณหภูมิ 800-900°C ช่วยลดความหนาแน่นของการเคลื่อนตัวของเกลียวลงเหลือประมาณ 10^7 cm^-2 ลักษณะการทำงาน: เครื่องตรวจจับภาพ PIN Ge/Si ที่ล้ำหน้าที่สุดสามารถทำได้: การตอบสนอง > 0.8A /W ที่ 1550 นาโนเมตร แบนด์วิดท์ >60 GHz กระแสมืด <1 μA ที่อคติ -1 V
การบูรณาการกับแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอน
การบูรณาการของเครื่องตรวจจับภาพความเร็วสูงแพลตฟอร์มออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนช่วยให้สามารถใช้งานทรานซีฟเวอร์ออปติกและอินเตอร์คอนเนคต์ขั้นสูงได้ วิธีการผสานรวมหลักสองวิธีมีดังนี้: การผสานรวมแบบฟรอนต์เอนด์ (FEOL) ซึ่งโฟโตดีเทกเตอร์และทรานซิสเตอร์ผลิตขึ้นพร้อมกันบนพื้นผิวซิลิกอน เพื่อให้สามารถประมวลผลได้ในอุณหภูมิสูง แต่ใช้พื้นที่ของชิป การผสานรวมแบบแบ็คเอนด์ (BEOL) โฟโตดีเทกเตอร์ผลิตขึ้นบนโลหะเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวน CMOS แต่จำกัดเฉพาะอุณหภูมิในการประมวลผลที่ต่ำกว่า
รูปที่ 2: การตอบสนองและแบนด์วิดท์ของเครื่องตรวจจับภาพ Ge/Si ความเร็วสูง
แอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูล
เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงเป็นส่วนประกอบสำคัญในระบบเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลยุคหน้า การใช้งานหลักๆ ได้แก่ เครื่องส่งสัญญาณออปติก: อัตรา 100G, 400G และสูงกว่า โดยใช้การมอดูเลต PAM-4เครื่องตรวจจับภาพแบนด์วิดท์สูง(>50 GHz) เป็นสิ่งจำเป็น
วงจรรวมออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบใช้ซิลิกอน: การผสานรวมแบบโมโนลิธิกของเครื่องตรวจจับกับตัวปรับเปลี่ยนและส่วนประกอบอื่นๆ; เครื่องยนต์ออปติกประสิทธิภาพสูงขนาดกะทัดรัด
สถาปัตยกรรมแบบกระจาย: การเชื่อมต่อแบบออปติกระหว่างการประมวลผล การจัดเก็บ และระบบจัดเก็บข้อมูลแบบกระจาย ขับเคลื่อนความต้องการสำหรับเครื่องตรวจจับแสงแบนด์วิดท์สูงที่ประหยัดพลังงาน
แนวโน้มในอนาคต
อนาคตของเครื่องตรวจจับโฟโตความเร็วสูงแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการจะแสดงให้เห็นแนวโน้มต่อไปนี้:
อัตราข้อมูลที่สูงขึ้น: ขับเคลื่อนการพัฒนาเครื่องรับส่งสัญญาณ 800G และ 1.6T ต้องใช้เครื่องตรวจจับภาพที่มีแบนด์วิดท์มากกว่า 100 GHz
การผสานรวมที่ได้รับการปรับปรุง: การรวมวัสดุ III-V และซิลิกอนด้วยชิปตัวเดียว เทคโนโลยีการผสานรวม 3D ขั้นสูง
วัสดุใหม่: การสำรวจวัสดุสองมิติ (เช่น กราฟีน) สำหรับการตรวจจับแสงที่รวดเร็วเป็นพิเศษ โลหะผสมกลุ่ม IV ใหม่สำหรับการครอบคลุมความยาวคลื่นที่ขยายออก
แอปพลิเคชันที่เกิดใหม่: LiDAR และแอปพลิเคชันการตรวจจับอื่นๆ กำลังขับเคลื่อนการพัฒนา APD แอปพลิเคชันโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการเครื่องตรวจจับโฟโตเชิงเส้นสูง
เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูง โดยเฉพาะเครื่องตรวจจับแสง Ge หรือ Si กลายเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนและการสื่อสารด้วยแสงรุ่นต่อไป ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุ การออกแบบอุปกรณ์ และเทคโนโลยีการรวมเข้าด้วยกันมีความสำคัญต่อการตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นของศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคมในอนาคต เมื่อสาขานี้พัฒนาต่อไป เราคาดว่าจะได้เห็นเครื่องตรวจจับแสงที่มีแบนด์วิดท์สูงขึ้น เสียงรบกวนน้อยลง และการรวมเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ได้อย่างราบรื่น
เวลาโพสต์ : 20 ม.ค. 2568