Silizioan oinarritutako optoelektronikan, siliziozko fotodetektagailuak
Fotodetektagailuakargi-seinaleak seinale elektriko bihurtzen dituzte, eta datuen transferentzia-tasak hobetzen jarraitzen duten heinean, siliziozko optoelektronikako plataformekin integratutako abiadura handiko fotodetektagailuak funtsezkoak bihurtu dira hurrengo belaunaldiko datu-zentroetarako eta telekomunikazio-sareetarako. Artikulu honek abiadura handiko fotodetektagailu aurreratuen ikuspegi orokorra emango du, siliziozko germaniozko (Ge edo Si) fotodetektagailuari arreta jarriz.siliziozko fotodetektagailuakoptoelektronika integratuaren teknologiarako.
Germanioa material erakargarria da siliziozko plataformetan infragorri hurbileko argia detektatzeko, CMOS prozesuekin bateragarria delako eta telekomunikazio uhin-luzeretan xurgapen oso handia duelako. Ge/Si fotodetektagailuen egitura ohikoena pin diodoa da, non germanio intrintsekoa P motako eta N motako eskualdeen artean kokatuta dagoen.
Gailuaren egitura 1. irudiak Ge edo pin bertikal tipiko bat erakusten du.Si fotodetektagailuaegitura:
Ezaugarri nagusien artean hauek daude: siliziozko substratuan hazitako germanio xurgatzaile geruza; karga-eramaileen p eta n kontaktuak biltzeko erabiltzen da; argiaren xurgapen eraginkorra lortzeko uhin-gida akoplamendua.
Hazkunde epitaxiala: Kalitate handiko germanioa silizioan haztea erronka bat da, bi materialen arteko % 4,2ko sare-desadostasunagatik. Bi urratseko hazkuntza-prozesu bat erabiltzen da normalean: tenperatura baxuko (300-400 °C) buffer geruzaren hazkuntza eta tenperatura altuan (600 °C-tik gora) germanioaren deposizioa. Metodo honek sare-desadostasunek eragindako hari-dislokazioak kontrolatzen laguntzen du. 800-900 °C-tan hazkuntza osteko errekuntzak hari-dislokazioen dentsitatea 10^7 cm^-2 ingurura murrizten du. Errendimendu-ezaugarriak: Ge/Si PIN fotodetektagailu aurreratuenak honako hauek lor ditzake: erantzun-ahalmena, > 0,8 A /W 1550 nm-tan; banda-zabalera, >60 GHz; iluntasun-korrontea, <1 μA -1 V-ko polarizazioan.
Silizioan oinarritutako optoelektronika plataformekin integratzea
Integrazioa.abiadura handiko fotodetektagailuakSilizioan oinarritutako optoelektronika plataformek transzeptore eta interkonexio optiko aurreratuak ahalbidetzen dituzte. Bi integrazio metodo nagusiak hauek dira: Aurrealdeko integrazioa (FEOL), non fotodetektagailua eta transistorea aldi berean fabrikatzen diren siliziozko substratu batean, tenperatura altuko prozesamendua ahalbidetuz, baina txiparen eremua hartuz. Atzeko aldeko integrazioa (BEOL). Fotodetektagailuak metalaren gainean fabrikatzen dira CMOSekin interferentziak saihesteko, baina prozesatzeko tenperatura baxuagoetara mugatzen dira.
2. irudia: Ge/Si fotodetektagailu baten abiadura handiko erantzun-gaitasuna eta banda-zabalera
Datu-zentroaren aplikazioa
Abiadura handiko fotodetektagailuak datu-zentroen interkonexioaren hurrengo belaunaldiko osagai garrantzitsuak dira. Aplikazio nagusien artean hauek daude: transzeptore optikoak: 100G, 400G eta abiadura handiagoak, PAM-4 modulazioa erabiliz; Abanda-zabalera handiko fotodetektagailua(>50 GHz) beharrezkoa da.
Silizioan oinarritutako zirkuitu integratu optoelektronikoa: detektagailuaren eta modulagailuaren eta beste osagai batzuen integrazio monolitikoa; Motor optiko trinkoa eta errendimendu handikoa.
Arkitektura banatua: konputazio banatuaren, biltegiratzearen eta biltegiratzearen arteko interkonexio optikoa; Energia-eraginkortasuneko eta banda-zabalera handiko fotodetektagailuen eskaria bultzatzea.
Etorkizuneko ikuspegia
Abiadura handiko fotodetektagailu optoelektroniko integratuek etorkizunean joera hauek erakutsiko dituzte:
Datu-tasa handiagoak: 800G eta 1.6T transzeptoreen garapena bultzatzen ari da; 100 GHz baino handiagoak diren banda-zabalera duten fotodetektagailuak behar dira.
Integrazio hobetua: III-V materialaren eta silizioaren txip bakarreko integrazioa; 3D integrazio teknologia aurreratua.
Material berriak: Bi dimentsioko materialak (grafenoa adibidez) aztertzea argi ultra-azkar detektatzeko; IV. Taldeko aleazio berri bat uhin-luzera zabalagoko estaldura lortzeko.
Aplikazio berriak: LiDAR eta beste sentsore-aplikazio batzuek APDren garapena bultzatzen dute; linealtasun handiko fotodetektagailuak behar dituzten mikrouhin-fotoien aplikazioek.
Abiadura handiko fotodetektagailuak, batez ere Ge edo Si fotodetektagailuak, siliziozko optoelektronikaren eta hurrengo belaunaldiko komunikazio optikoen eragile nagusi bihurtu dira. Materialetan, gailuen diseinuan eta integrazio-teknologietan aurrerapen jarraituak garrantzitsuak dira etorkizuneko datu-zentroen eta telekomunikazio-sareen banda-zabalera-eskaera gero eta handiagoak asetzeko. Eremua eboluzionatzen jarraitzen duen heinean, banda-zabalera handiagoa, zarata txikiagoa eta zirkuitu elektroniko eta fotonikoekin integrazio ezin hobea duten fotodetektagailuak ikustea espero dezakegu.
Argitaratze data: 2025eko urtarrilaren 20a