สำหรับอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์ที่ใช้ซิลิคอนนั้น จะใช้โฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอน
เครื่องตรวจจับแสงอุปกรณ์ตรวจจับแสงทำหน้าที่แปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า และเนื่องจากอัตราการถ่ายโอนข้อมูลดีขึ้นอย่างต่อเนื่อง อุปกรณ์ตรวจจับแสงความเร็วสูงที่ผสานรวมกับแพลตฟอร์มอิเล็กโทรออปติกส์บนพื้นฐานซิลิคอนจึงกลายเป็นกุญแจสำคัญสำหรับศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคมยุคใหม่ บทความนี้จะให้ภาพรวมของอุปกรณ์ตรวจจับแสงความเร็วสูงขั้นสูง โดยเน้นที่อุปกรณ์ตรวจจับแสงเจอร์มาเนียมบนพื้นฐานซิลิคอน (อุปกรณ์ตรวจจับแสง Ge หรือ Si)โฟโตดีเทคเตอร์ซิลิคอนสำหรับเทคโนโลยีออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการ
เจอร์มาเนียมเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการตรวจจับแสงอินฟราเรดใกล้บนแพลตฟอร์มซิลิคอน เนื่องจากเข้ากันได้กับกระบวนการ CMOS และมีการดูดซับที่แข็งแกร่งมากในช่วงความยาวคลื่นโทรคมนาคม โครงสร้างโฟโตดีเทคเตอร์ Ge/Si ที่พบได้บ่อยที่สุดคือไดโอดพิน ซึ่งเจอร์มาเนียมบริสุทธิ์ถูกประกบอยู่ระหว่างบริเวณชนิด P และชนิด N
โครงสร้างอุปกรณ์ รูปที่ 1 แสดงขาแนวตั้งทั่วไปของ Ge หรือโฟโตดีเทคเตอร์ Siโครงสร้าง:
คุณสมบัติหลักได้แก่: ชั้นดูดซับเจอร์มาเนียมที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิคอน; ใช้สำหรับรวบรวมหน้าสัมผัส p และ n ของตัวนำประจุ; การเชื่อมต่อแบบท่อนำคลื่นเพื่อการดูดซับแสงอย่างมีประสิทธิภาพ
การเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กเซียล: การปลูกเจอร์มาเนียมคุณภาพสูงบนซิลิคอนเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากความไม่ตรงกันของโครงสร้างผลึกระหว่างวัสดุทั้งสองถึง 4.2% โดยทั่วไปจะใช้กระบวนการเจริญเติบโตแบบสองขั้นตอน: การเจริญเติบโตของชั้นบัฟเฟอร์ที่อุณหภูมิต่ำ (300-400°C) และการตกตะกอนของเจอร์มาเนียมที่อุณหภูมิสูง (สูงกว่า 600°C) วิธีนี้ช่วยควบคุมการเกิดความคลาดเคลื่อนแบบเกลียวที่เกิดจากความไม่ตรงกันของโครงสร้างผลึก การอบชุบหลังการเจริญเติบโตที่ 800-900°C ช่วยลดความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนแบบเกลียวลงเหลือประมาณ 10^7 cm^-2 คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ: โฟโตดีเทคเตอร์ Ge/Si PIN ที่ทันสมัยที่สุดสามารถทำได้ดังนี้: การตอบสนอง > 0.8A/W ที่ 1550 nm; แบนด์วิดท์ > 60 GHz; กระแสไฟฟ้ามืด < 1 μA ที่ไบแอส -1 V
การบูรณาการกับแพลตฟอร์มอิเล็กโทรออปติกส์ที่ใช้ซิลิคอน
การบูรณาการของโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงแพลตฟอร์มอิเล็กโทรออปติกส์ที่ใช้ซิลิคอนช่วยให้สามารถสร้างตัวรับส่งสัญญาณและตัวเชื่อมต่อทางแสงขั้นสูงได้ วิธีการรวมระบบหลักสองวิธีมีดังนี้: การรวมระบบด้านหน้า (FEOL) ซึ่งตัวตรวจจับแสงและทรานซิสเตอร์ถูกผลิตพร้อมกันบนพื้นผิวซิลิคอน ทำให้สามารถประมวลผลที่อุณหภูมิสูงได้ แต่จะใช้พื้นที่ชิปมากขึ้น การรวมระบบด้านหลัง (BEOL) ตัวตรวจจับแสงถูกผลิตบนโลหะเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกับ CMOS แต่ถูกจำกัดที่อุณหภูมิการประมวลผลต่ำกว่า
รูปที่ 2: การตอบสนองและแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ Ge/Si ความเร็วสูง
แอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูล
โฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงเป็นส่วนประกอบสำคัญในระบบเชื่อมต่อศูนย์ข้อมูลยุคใหม่ การใช้งานหลัก ได้แก่: ตัวรับส่งสัญญาณแสง: 100G, 400G และอัตราที่สูงกว่า โดยใช้การมอดูเลชั่น PAM-4; Aโฟโตดีเทคเตอร์แบนด์วิดท์สูงจำเป็นต้องใช้ความถี่ (>50 GHz)
วงจรรวมเชิงแสงอิเล็กทรอนิกส์บนพื้นฐานซิลิคอน: การรวมตัวตรวจจับเข้ากับตัวปรับสัญญาณและส่วนประกอบอื่นๆ ในรูปแบบโมโนลิธิก; เครื่องมือทางแสงขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง
สถาปัตยกรรมแบบกระจาย: การเชื่อมต่อทางแสงระหว่างระบบประมวลผลแบบกระจาย ระบบจัดเก็บข้อมูล และระบบจัดเก็บข้อมูลแบบกระจาย; ผลักดันความต้องการโฟโตดีเทคเตอร์ที่มีประสิทธิภาพด้านพลังงานและแบนด์วิดท์สูง
แนวโน้มในอนาคต
อนาคตของโฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูงแบบบูรณาการทางอิเล็กโทรออปติกจะแสดงให้เห็นแนวโน้มดังต่อไปนี้:
อัตราการส่งข้อมูลที่สูงขึ้น: เป็นแรงผลักดันในการพัฒนาทรานซีฟเวอร์ 800G และ 1.6T; จำเป็นต้องใช้โฟโตดีเทคเตอร์ที่มีแบนด์วิดท์มากกว่า 100 GHz
การรวมระบบที่ดียิ่งขึ้น: การรวมชิปเดียวของวัสดุ III-V และซิลิคอน; เทคโนโลยีการรวมระบบ 3 มิติขั้นสูง
วัสดุใหม่: การสำรวจวัสดุสองมิติ (เช่น กราฟีน) สำหรับการตรวจจับแสงความเร็วสูงพิเศษ; โลหะผสมกลุ่ม IV ใหม่สำหรับการครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นที่กว้างขึ้น
การใช้งานที่กำลังเกิดขึ้นใหม่: LiDAR และแอปพลิเคชันการตรวจจับอื่นๆ กำลังผลักดันการพัฒนา APD; แอปพลิเคชันโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการโฟโตดีเทคเตอร์ที่มีความเป็นเส้นตรงสูง
โฟโตดีเทคเตอร์ความเร็วสูง โดยเฉพาะโฟโตดีเทคเตอร์ที่ทำจากเจอร์มาเนียม (Ge) หรือซิลิคอน (Si) ได้กลายเป็นตัวขับเคลื่อนสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กโทรออปติกส์บนพื้นฐานซิลิคอนและการสื่อสารด้วยแสงยุคใหม่ ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุ การออกแบบอุปกรณ์ และเทคโนโลยีการรวมระบบมีความสำคัญต่อการตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นของศูนย์ข้อมูลและเครือข่ายโทรคมนาคมในอนาคต เมื่อสาขานี้พัฒนาต่อไป เราคาดว่าจะได้เห็นโฟโตดีเทคเตอร์ที่มีแบนด์วิดท์สูงขึ้น สัญญาณรบกวนต่ำลง และการรวมเข้ากับวงจรอิเล็กทรอนิกส์และโฟโตนิกส์ได้อย่างราบรื่น
วันที่เผยแพร่: 20 มกราคม 2025