สำหรับ optoelectronics ที่ใช้ซิลิกอน, silicon photodetectors
เครื่องตรวจจับแสงแปลงสัญญาณแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าและเมื่ออัตราการถ่ายโอนข้อมูลยังคงดีขึ้นเรื่อย ๆ โฟโตเครื่องตรวจจับความเร็วสูงที่รวมเข้ากับแพลตฟอร์ม optoelectronics ที่ใช้ซิลิกอนได้กลายเป็นกุญแจสำคัญในศูนย์ข้อมูลรุ่นต่อไปและเครือข่ายโทรคมนาคม บทความนี้จะให้ภาพรวมของเครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงขั้นสูงโดยเน้นไปที่เจอร์เมเนียมที่ใช้ซิลิกอน (GE หรือ SI Photodetector)เครื่องตรวจจับแสงซิลิกอนสำหรับเทคโนโลยี Optoelectronics แบบบูรณาการ
เจอร์เมเนียมเป็นวัสดุที่น่าสนใจสำหรับการตรวจจับแสงอินฟราเรดใกล้กับแพลตฟอร์มซิลิกอนเนื่องจากเข้ากันได้กับกระบวนการ CMOS และมีการดูดซับที่แข็งแกร่งมากที่ความยาวคลื่นโทรคมนาคม โครงสร้าง photodetector GE/SI ที่พบมากที่สุดคือไดโอดพินซึ่งเจอร์เมเนียมที่อยู่ภายในนั้นถูกประกบระหว่างภูมิภาค P-type และ N-type
โครงสร้างอุปกรณ์รูปที่ 1 แสดงพินแนวตั้งทั่วไปหรือSi PhotoDetectorโครงสร้าง:
คุณสมบัติหลัก ได้แก่ : ชั้นเจอร์เมเนียมดูดซับชั้นที่ปลูกบนพื้นผิวซิลิกอน; ใช้ในการรวบรวมผู้ติดต่อ P และ N ของผู้ให้บริการประจุ การมีเพศสัมพันธ์ของท่อนำคลื่นสำหรับการดูดซับแสงที่มีประสิทธิภาพ
การเติบโตของ Epitaxial: การเติบโตของเจอร์เมเนียมที่มีคุณภาพสูงในซิลิคอนเป็นสิ่งที่ท้าทายเนื่องจากความไม่ตรงกันของตาข่าย 4.2% ระหว่างวัสดุทั้งสอง โดยปกติกระบวนการเจริญเติบโตสองขั้นตอนจะใช้: อุณหภูมิต่ำ (300-400 ° C) การเจริญเติบโตของชั้นบัฟเฟอร์และอุณหภูมิสูง (สูงกว่า 600 ° C) การสะสมของเจอร์เมเนียม วิธีนี้ช่วยในการควบคุมการเคลื่อนที่ของเกลียวที่เกิดจากความไม่ตรงกันของตาข่าย การหลอมหลังการเติบโตที่ 800-900 ° C จะช่วยลดความหนาแน่นของการเคลื่อนที่ของเกลียวให้เหลือประมาณ 10^7 ซม.^-2 ลักษณะการทำงาน: เครื่องตรวจจับ GE /SI PIN ขั้นสูงที่สุดสามารถทำได้: ตอบสนอง,> 0.8A /W ที่ 1550 นาโนเมตร; แบนด์วิดธ์> 60 GHz; กระแสมืด <1 μAที่ -1 V อคติ
การรวมเข้ากับแพลตฟอร์ม OptoElectronics ที่ใช้ซิลิคอน
การรวมกันของเครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงด้วยแพลตฟอร์ม OptoElectronics ที่ใช้ซิลิคอนช่วยให้ผู้รับส่งสัญญาณออพติคอลและการเชื่อมต่อระหว่างกัน วิธีการรวมหลักสองวิธีมีดังนี้: การรวมส่วนหน้า (FEOL) ซึ่ง photodetector และทรานซิสเตอร์ถูกผลิตขึ้นพร้อมกันบนพื้นผิวซิลิกอนช่วยให้การประมวลผลอุณหภูมิสูง แต่ใช้พื้นที่ชิป การรวมแบ็คเอนด์ (BEOL) เครื่องตรวจจับแสงถูกผลิตขึ้นที่ด้านบนของโลหะเพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนด้วย CMOs แต่ จำกัด อยู่ที่อุณหภูมิการประมวลผลที่ต่ำกว่า
รูปที่ 2: การตอบสนองและแบนด์วิดธ์ของเครื่องตรวจจับ GE/SI ความเร็วสูง
แอปพลิเคชันศูนย์ข้อมูล
เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงเป็นองค์ประกอบสำคัญในการเชื่อมต่อระหว่างศูนย์ข้อมูลรุ่นต่อไป แอปพลิเคชั่นหลัก ได้แก่ : ตัวรับส่งสัญญาณแสง: 100G, 400G และอัตราที่สูงขึ้นโดยใช้การปรับ PAM-4; อันเครื่องตรวจสอบแบนด์วิดท์สูง(> 50 GHz) เป็นสิ่งจำเป็น
วงจรรวม Optoelectronic ที่ใช้ซิลิคอน: การรวมเสาหินของเครื่องตรวจจับกับโมดูเลเตอร์และส่วนประกอบอื่น ๆ ; เครื่องยนต์ออพติคอลขนาดกะทัดรัดและประสิทธิภาพสูง
สถาปัตยกรรมแบบกระจาย: การเชื่อมต่อระหว่างกันระหว่างการคำนวณแบบกระจายการจัดเก็บและการจัดเก็บ ผลักดันความต้องการเครื่องตรวจจับแสงที่ประหยัดพลังงานและแบนด์วิดท์
แนวโน้มในอนาคต
อนาคตของเครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงออปโตอิเล็กทรอนิกส์แบบบูรณาการจะแสดงแนวโน้มดังต่อไปนี้:
อัตราข้อมูลที่สูงขึ้น: ผลักดันการพัฒนาตัวรับส่งสัญญาณ 800 กรัมและ 1.6T เครื่องตรวจจับแสงที่มีแบนด์วิดท์มากกว่า 100 GHz เป็นสิ่งจำเป็น
การรวมที่ดีขึ้น: การรวมชิปเดี่ยวของวัสดุ III-V และซิลิกอน; เทคโนโลยีการรวม 3D ขั้นสูง
วัสดุใหม่: การสำรวจวัสดุสองมิติ (เช่นกราฟีน) สำหรับการตรวจจับแสงเร็ว โลหะผสมกลุ่ม IV ใหม่สำหรับการครอบคลุมความยาวคลื่นขยาย
แอพพลิเคชั่นที่เกิดขึ้นใหม่: แอพพลิเคชั่นการรับรู้อื่น ๆ และแอพพลิเคชั่นการตรวจจับอื่น ๆ กำลังผลักดันการพัฒนาของ APD; แอพพลิเคชั่นโฟตอนไมโครเวฟที่ต้องการเครื่องตรวจจับแสงเชิงเส้นสูง
เครื่องตรวจจับแสงความเร็วสูงโดยเฉพาะอย่างยิ่ง GE หรือ SI photoDetectors ได้กลายเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของออพโตอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ซิลิกอนและการสื่อสารด้วยแสงรุ่นต่อไป ความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวัสดุการออกแบบอุปกรณ์และเทคโนโลยีการรวมเป็นสิ่งสำคัญที่จะตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์ที่เพิ่มขึ้นของศูนย์ข้อมูลในอนาคตและเครือข่ายโทรคมนาคม ในขณะที่สนามยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่องเราสามารถคาดหวังว่าจะเห็นเครื่องตรวจจับแสงที่มีแบนด์วิดท์ที่สูงขึ้นเสียงรบกวนที่ต่ำกว่าและการรวมกันอย่างราบรื่นกับวงจรอิเล็กทรอนิกส์และโทนิค
เวลาโพสต์: ม.ค.-20-2025