עבור אופטואלקטרוניקה מבוססת סיליקון, גלאי פוטו סיליקון (גלאי פוטו סיליקון)

עבור אופטואלקטרוניקה מבוססת סיליקון, גלאי פוטו סיליקון

גלאי צילוםממירים אותות אור לאותות חשמליים, וככל שקצבי העברת הנתונים ממשיכים להשתפר, גלאי פוטו מהירים המשולבים בפלטפורמות אופטואלקטרוניקה מבוססות סיליקון הפכו למפתח למרכזי נתונים ורשתות טלקומוניקציה מהדור הבא. מאמר זה יספק סקירה כללית של גלאי פוטו מתקדמים במהירות גבוהה, בדגש על גרמניום מבוסס סיליקון (גלאי פוטו Ge או Si).גלאי פוטו סיליקוןעבור טכנולוגיית אופטואלקטרוניקה משולבת.

גרמניום הוא חומר אטרקטיבי לגילוי אור אינפרא אדום קרוב על פלטפורמות סיליקון מכיוון שהוא תואם לתהליכי CMOS ובעל בליעה חזקה ביותר באורכי גל של טלקומוניקציה. מבנה הפוטוגלאי הנפוץ ביותר של Ge/Si הוא דיודת פינים, שבה הגרמניום הפנימי נמצא בין האזורים מסוג P וסוג N.

מבנה המכשיר איור 1 מציג פין אנכי טיפוסי Ge אוגלאי פוטו סיליציוםמִבְנֶה:

המאפיינים העיקריים כוללים: שכבת סופחת גרמניום הגדלה על מצע סיליקון; משמשת לאיסוף מגעי p ו-n של נושאי מטען; צימוד מוליך גלים לספיגת אור יעילה.

גידול אפיטקסיאלי: גידול גרמניום באיכות גבוהה על סיליקון הוא מאתגר עקב אי-התאמה של 4.2% בסריג בין שני החומרים. בדרך כלל משתמשים בתהליך גידול דו-שלבי: גידול שכבת חיץ בטמפרטורה נמוכה (300-400°C) ושיקוע גרמניום בטמפרטורה גבוהה (מעל 600°C). שיטה זו מסייעת לשלוט בתזוזות של השחלה הנגרמות כתוצאה מחוסר התאמה בסריג. חישול לאחר הגידול בטמפרטורה של 800-900°C מפחית עוד יותר את צפיפות תזוזת ההשחלה לכ-10^7 cm^-2. מאפייני ביצועים: גלאי הפוטואלקטרי המתקדם ביותר מסוג Ge/Si PIN יכול להשיג: תגובתיות, > 0.8A /W ב-1550 ננומטר; רוחב פס, >60 GHz; זרם חושך, <1 μA בהטיה של -1 V.

אינטגרציה עם פלטפורמות אופטואלקטרוניקה מבוססות סיליקון

האינטגרציה שלגלאי פוטו במהירות גבוההפלטפורמות אופטואלקטרוניקה מבוססות סיליקון מאפשרות משדרים-מקלטים וחיבורים אופטיים מתקדמים. שתי שיטות האינטגרציה העיקריות הן כדלקמן: אינטגרציה קדמית (FEOL), שבה גלאי הפוטו והטרנזיסטור מיוצרים בו זמנית על מצע סיליקון, מה שמאפשר עיבוד בטמפרטורה גבוהה, אך תופס שטח שבב. אינטגרציה אחורית (BEOL). גלאי פוטו מיוצרים על גבי המתכת כדי למנוע הפרעה ל-CMOS, אך מוגבלים לטמפרטורות עיבוד נמוכות יותר.

איור 2: תגובתיות ורוחב פס של גלאי פוטואלקטרי Ge/Si במהירות גבוהה

אפליקציית מרכז נתונים

גלאי פוטו במהירות גבוהה הם מרכיב מפתח בדור הבא של חיבורי מרכזי נתונים. יישומים עיקריים כוללים: משדרים אופטיים: קצב של 100G, 400G ומעלה, תוך שימוש במודולציה PAM-4;גלאי פוטו בעל רוחב פס גבוהנדרש (>50 גיגה-הרץ).

מעגל משולב אופטואלקטרוני מבוסס סיליקון: אינטגרציה מונוליטית של גלאי עם מודולטור ורכיבים אחרים; מנוע אופטי קומפקטי ובעל ביצועים גבוהים.

ארכיטקטורה מבוזרת: חיבור אופטי בין מחשוב מבוזר, אחסון ואחסון; קידום הביקוש לגלאי אור חסכוניים באנרגיה וברוחב פס גבוה.

תחזית עתידית

עתידם של גלאי פוטואלקטרוניקה משולבים במהירות גבוהה יראה את המגמות הבאות:

קצבי נתונים גבוהים יותר: דחיפה לפיתוח משדרי-מקלט 800G ו-1.6T; נדרשים גלאי אור עם רוחבי פס גדולים מ-100 גיגה-הרץ.

אינטגרציה משופרת: אינטגרציה של חומר III-V וסיליקון בשבב יחיד; טכנולוגיית אינטגרציה תלת-ממדית מתקדמת.

חומרים חדשים: חקר חומרים דו-ממדיים (כגון גרפן) לגילוי אור אולטרה-מהיר; סגסוגת חדשה מקבוצה IV לכיסוי אורך גל מורחב.

יישומים מתפתחים: LiDAR ויישומי חישה אחרים מניעים את פיתוח APD; יישומי פוטונים במיקרוגל הדורשים גלאי פוטו בעלי ליניאריות גבוהה.

גלאי פוטו במהירות גבוהה, במיוחד גלאי פוטו מפחמן אלקטרוכימי או סיליקון, הפכו לגורם מפתח באופטואלקטרוניקה מבוססת סיליקון ובתקשורת אופטית מהדור הבא. התקדמות מתמשכת בחומרים, בתכנון התקנים ובטכנולוגיות אינטגרציה חשובה כדי לעמוד בדרישות רוחב הפס הגוברות של מרכזי נתונים ורשתות טלקומוניקציה עתידיות. ככל שהתחום ממשיך להתפתח, אנו יכולים לצפות לראות גלאי פוטו בעלי רוחב פס גבוה יותר, רעש נמוך יותר ואינטגרציה חלקה עם מעגלים אלקטרוניים ופוטוניים.