Kwa optoelectronics zenye msingi wa silicon, vigundua picha vya silicon (Si photodetector)

Kwa optoelectronics zenye msingi wa silicon, vigundua picha vya silicon

Vigunduzi vya pichakubadilisha mawimbi ya mwanga kuwa mawimbi ya umeme, na kadiri viwango vya uhamishaji data vinavyoendelea kuboreka, vitambua picha vya kasi ya juu vilivyounganishwa na majukwaa ya optoelectronics yenye msingi wa silicon vimekuwa muhimu kwa vituo vya data vya kizazi kijacho na mitandao ya mawasiliano. Makala haya yatatoa muhtasari wa vigunduzi vya hali ya juu vya kasi ya juu, kwa kukazia germanium yenye msingi wa silicon (Ge au Si photodetector)vifaa vya kugundua picha za siliconkwa teknolojia jumuishi ya optoelectronics.

Germanium ni nyenzo ya kuvutia kwa ugunduzi wa mwanga wa karibu wa infrared kwenye mifumo ya silicon kwa sababu inaoana na michakato ya CMOS na ina ufyonzwaji mkali sana katika urefu wa mawimbi ya mawasiliano. Muundo wa kawaida wa kigundua picha cha Ge/Si ni diode ya pini, ambayo germanium ya asili imewekwa kati ya maeneo ya aina ya P na N-aina.

Muundo wa kifaa Kielelezo 1 kinaonyesha pini ya wima ya kawaida Ge auNi detector ya pichamuundo:

Sifa kuu ni pamoja na: safu ya kunyonya germanium iliyopandwa kwenye substrate ya silicon; Inatumika kukusanya p na n mawasiliano ya flygbolag za malipo; Kiunganishi cha mwongozo wa wimbi kwa ufyonzwaji wa mwanga kwa ufanisi.

Ukuaji wa Epitaxial: Kukuza germanium ya ubora wa juu kwenye silicon ni changamoto kutokana na kutolingana kwa kimiani kwa 4.2% kati ya nyenzo hizo mbili. Mchakato wa ukuaji wa hatua mbili hutumiwa kwa kawaida: joto la chini (300-400 ° C) ukuaji wa safu ya bafa na joto la juu (zaidi ya 600 ° C) uwekaji wa germanium. Njia hii husaidia kudhibiti utengano wa nyuzi unaosababishwa na kutolingana kwa kimiani. Annealing baada ya ukuaji wa 800-900°C hupunguza zaidi msongamano wa kutenganisha nyuzi hadi takriban 10^7 cm^-2. Sifa za utendaji: Kigunduzi cha picha cha juu zaidi cha Ge/Si PIN kinaweza kufikia: uitikiaji, > 0.8A /W katika 1550 nm; Kipimo,>GHz 60; Mkondo wa giza, <1 μA katika -1 V upendeleo.

Kuunganishwa na majukwaa ya optoelectronics yenye msingi wa silicon

Ujumuishaji wavifaa vya kugundua picha za kasi ya juuna majukwaa ya optoelectronics yenye msingi wa silicon huwezesha transceivers za macho na viunganishi vya hali ya juu. Mbinu mbili kuu za ujumuishaji ni kama ifuatavyo: Uunganisho wa mbele-mwisho (FEOL), ambapo kigundua picha na transistor hutengenezwa kwa wakati mmoja kwenye substrate ya silicon inayoruhusu usindikaji wa halijoto ya juu, lakini kuchukua eneo la chip. Ujumuishaji wa nyuma-mwisho (BEOL). Vigunduzi vya picha vinatengenezwa juu ya chuma ili kuepuka kuingiliwa na CMOS, lakini ni mdogo kwa joto la chini la usindikaji.

Kielelezo cha 2: Mwitikio na kipimo data cha kigundua picha cha Ge/Si chenye kasi ya juu

Programu ya kituo cha data

Vigunduzi vya picha za kasi ya juu ni sehemu muhimu katika kizazi kijacho cha muunganisho wa kituo cha data. Maombi kuu ni pamoja na: transceivers za macho :100G, 400G na viwango vya juu zaidi, kwa kutumia PAM-4 modulering; Ahigh bandwidth photodetector(>50 GHz) inahitajika.

Mzunguko wa optoelectronic jumuishi wa silicon-msingi: ushirikiano wa monolithic wa detector na modulator na vipengele vingine; Injini ya macho yenye utendakazi wa hali ya juu.

Usanifu uliosambazwa: muunganisho wa macho kati ya kompyuta iliyosambazwa, uhifadhi na uhifadhi; Kuendesha mahitaji ya vitambuaji picha visivyo na nishati na vya juu-bandwidth.

Mtazamo wa siku zijazo

Mustakabali wa vigunduzi vya picha vilivyounganishwa vya optoelectronic vitaonyesha mitindo ifuatayo:

Viwango vya juu vya data: Kuendesha maendeleo ya transceivers 800G na 1.6T; Vitambua picha vilivyo na kipimo data kikubwa zaidi ya 100 GHz vinahitajika.

Ushirikiano ulioboreshwa: Uunganisho wa chip moja wa nyenzo za III-V na silicon; Teknolojia ya juu ya ujumuishaji wa 3D.

Nyenzo mpya: Kuchunguza nyenzo za pande mbili (kama vile graphene) kwa utambuzi wa mwanga wa haraka; Aloi mpya ya Kundi la IV kwa ufunikaji wa urefu wa mawimbi.

Programu zinazojitokeza: LiDAR na maombi mengine ya kuhisi yanaendesha maendeleo ya APD; Programu za fotoni za microwave zinazohitaji vitambua picha vya mstari wa juu.

Vigunduzi vya picha za kasi ya juu, hasa vigunduzi vya picha vya Ge au Si, vimekuwa kiendeshaji muhimu cha optoelectronics inayotegemea silicon na mawasiliano ya macho ya kizazi kijacho. Maendeleo yanayoendelea katika nyenzo, muundo wa kifaa na teknolojia ya ujumuishaji ni muhimu ili kukidhi mahitaji yanayokua ya kipimo data cha vituo vya baadaye vya data na mitandao ya mawasiliano. Kadiri uga unavyoendelea kubadilika, tunaweza kutarajia kuona vitambua picha vilivyo na kipimo data cha juu, kelele ya chini, na muunganisho usio na mshono na saketi za kielektroniki na picha.