עבור אופטו-אלקטרוניקה מבוסס סיליקון, פוטו-גלאי סיליקון
פוטו -גטוריםהמרת אותות אור לאותות חשמליים, וככל שיעורי העברת הנתונים ממשיכים להשתפר, פוטו-גזורי פוטו במהירות גבוהה המשולבים בפלטפורמות אופטו-אלקטרוניקה מבוססות סיליקון הפכו למפתח למרכזי נתונים של הדור הבא ורשתות טלקומוניקציה. מאמר זה יספק סקירה כללית של גלאי פוטו מתקדמים במהירות גבוהה, עם דגש על גרמניום מבוסס סיליקון (GE או SI PhotoDectore)פוטו -גלאי סיליקוןלטכנולוגיית אופטו -אלקטרוניקה משולבת.
גרמניום הוא חומר אטרקטיבי לגילוי אור אינפרא אדום בפלטפורמות סיליקון מכיוון שהוא תואם לתהליכי CMOS ובעל ספיגה חזקה במיוחד באורכי גל טלקומוניקציה. מבנה ה- GE/SI הפוטו-גלאי הנפוץ ביותר הוא דיודת הסיכה, בו הגרמניום המהותי מסודר בין האזורים מסוג P ו- N.
מבנה המכשיר איור 1 מציג סיכה אנכית טיפוסית אוSi Photodectoreמִבְנֶה:
התכונות העיקריות כוללות: שכבה סופגת גרמניום הגדלה על מצע סיליקון; משמש לאיסוף אנשי קשר P ו- N של נושאי מטען; צימוד גלגלי גל לספיגת אור יעילה.
צמיחה אפיטקסיאלית: גידול בגרמניום באיכות גבוהה על סיליקון מאתגר בגלל אי התאמת הסריג של 4.2% בין שני החומרים. בדרך כלל משתמשים בתהליך גידול דו-שלבי: טמפרטורה נמוכה (300-400 מעלות צלזיוס) גידול בשכבת חיץ וטמפרטורה גבוהה (מעל 600 מעלות צלזיוס) של גרמניום. שיטה זו מסייעת בשליטה על ניתוק ההברגה הנגרמת כתוצאה מאי התאמות בסריג. חישול לאחר הצמיחה בטמפרטורה של 800-900 מעלות צלזיוס מקטין עוד יותר את צפיפות הניתוק ההברגה לכ- 10^7 ס"מ^-2. מאפייני ביצועים: גלאי הצילום המתקדם ביותר של GE /SI PIN יכול להשיג: היענות,> 0.8A /W במהירות 1550 ננומטר; רוחב פס,> 60 ג'יגה הרץ; זרם כהה, <1 μA בטייה -1 V.
שילוב עם פלטפורמות אופטואלקטרוניקה מבוססות סיליקון
שילוב שלפוטו-גטורים במהירות גבוההבעזרת פלטפורמות אופטואלקטרוניות מבוססות סיליקון מאפשרות משדרים וקשרים אופטיים מתקדמים. שתי שיטות האינטגרציה העיקריות הן כדלקמן: שילוב קדמי (FEOL), שם מיוצרים בו זמנית הצילום והטרנזיסטור על מצע סיליקון המאפשרים עיבוד בטמפרטורה גבוהה, אך תופסים שטח שבב. שילוב אחורי (BEOL). פוטו -גטורי פוטו מיוצרים על גבי המתכת כדי למנוע הפרעה ל- CMOs, אך מוגבלים לטמפרטורות עיבוד נמוכות יותר.
איור 2: היענות ורוחב פס של פוטו-גלאי GE/SI במהירות גבוהה
יישום מרכז נתונים
גזורי פוטו במהירות גבוהה הם מרכיב מרכזי בדור הבא של חיבורים של מרכז נתונים. יישומים עיקריים כוללים: משדרים אופטיים: 100 גרם, 400 גרם ושיעורים גבוהים יותר, באמצעות אפנון PAM-4; אגלאי פוטו רוחב פס גבוה(> 50 ג'יגה הרץ) נדרש.
מעגל משולב אופטו-אלקטרוני מבוסס סיליקון: שילוב מונוליטי של גלאי עם מודולטור ורכיבים אחרים; מנוע אופטי קומפקטי בעל ביצועים גבוהים.
ארכיטקטורה מבוזרת: חיבור אופטי בין מחשוב מבוזר, אחסון ואחסון; מניע את הביקוש לחסרי פוטו-פס-פס חסכוניים באנרגיה.
השקפה עתידית
העתיד של גלאי פוטו-מהירות אופטו-אלקטרוניים משולבים יציג את המגמות הבאות:
שיעורי נתונים גבוהים יותר: מניעת פיתוח משדרים של 800 גרם ו- 1.6T; יש צורך במגני פוטו עם רוחב פס העולים על 100 ג'יגה הרץ.
שילוב משופר: שילוב שבב יחיד של חומר III-V וסיליקון; טכנולוגיית אינטגרציה תלת מימדית מתקדמת.
חומרים חדשים: חקר חומרים דו ממדיים (כגון גרפן) לגילוי אור במיוחד; סגסוגת קבוצה IV חדשה לכיסוי אורך גל מורחב.
יישומים מתעוררים: LIDAR ויישומי חישה אחרים מניעים את פיתוח ה- APD; יישומי פוטון במיקרוגל הדורשים גלאי פוטו ליניאריות גבוהה.
גזורי פוטו במהירות גבוהה, ובמיוחד פוטו-גלאי פוטו-גלאי GE או SI, הפכו למניע מרכזי באופטו-אלקטרוניקה מבוססת סיליקון ותקשורת אופטית מהדור הבא. התקדמות מתמשכת בחומרים, תכנון מכשירים וטכנולוגיות אינטגרציה חשובה לעמוד בדרישות רוחב הפס ההולכות וגוברות של מרכזי נתונים עתידיים ורשתות טלקומוניקציה. ככל שהשדה ממשיך להתפתח, אנו יכולים לצפות לראות מגני פוטו עם רוחב פס גבוה יותר, רעש נמוך יותר ושילוב חלק עם מעגלים אלקטרוניים ופוטוניים.
זמן הודעה: ינואר 20-2025