بالنسبة للإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، كاشفات ضوئية من السيليكون (كاشف ضوئي من السيليكون)

بالنسبة للإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، كاشفات ضوئية من السيليكون

كاشفات ضوئيةتحوّل هذه التقنية الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، ومع استمرار تحسّن معدلات نقل البيانات، أصبحت أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة المدمجة مع منصات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون عنصرًا أساسيًا في مراكز البيانات وشبكات الاتصالات من الجيل التالي. ستقدم هذه المقالة نظرة عامة على أجهزة الكشف الضوئي المتقدمة عالية السرعة، مع التركيز على أجهزة الكشف الضوئي المصنوعة من الجرمانيوم (Ge أو Si) القائمة على السيليكون.كاشفات ضوئية من السيليكونلتكنولوجيا الإلكترونيات الضوئية المتكاملة.

يُعد الجرمانيوم مادةً جذابةً لكشف الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء على منصات السيليكون، نظرًا لتوافقه مع عمليات CMOS وقدرته الفائقة على امتصاص أطوال موجات الاتصالات. أكثر هياكل كاشفات الضوء شيوعًا من الجرمانيوم/السيليكون هي ثنائي pin، حيث يقع الجرمانيوم النقي بين منطقتي النوع P والنوع N.

يوضح الشكل 1 بنية الجهاز، وهو عبارة عن دبوس رأسي نموذجي من الجرمانيوم أوكاشف ضوئي من السيليكونبناء:

تشمل الميزات الرئيسية ما يلي: طبقة امتصاص الجرمانيوم المزروعة على ركيزة السيليكون؛ تستخدم لجمع نقاط التلامس p و n لحاملات الشحنة؛ اقتران الموجه الضوئي لامتصاص الضوء بكفاءة.

النمو الطبقي: يُعدّ نمو الجرمانيوم عالي الجودة على السيليكون تحديًا نظرًا لعدم تطابق الشبكة البلورية بنسبة 4.2% بين المادتين. تُستخدم عادةً عملية نمو ثنائية المراحل: نمو طبقة عازلة عند درجة حرارة منخفضة (300-400 درجة مئوية)، وترسيب الجرمانيوم عند درجة حرارة عالية (أعلى من 600 درجة مئوية). تُساعد هذه الطريقة في التحكم في الانخلاعات الخيطية الناتجة عن عدم تطابق الشبكة البلورية. كما يُقلل التلدين اللاحق للنمو عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية كثافة الانخلاعات الخيطية إلى حوالي 10^7 سم^-2. خصائص الأداء: يُمكن لأحدث كاشف ضوئي من نوع Ge/Si PIN تحقيق ما يلي: استجابة عالية > 0.8 أمبير/واط عند 1550 نانومتر؛ عرض نطاق ترددي > 60 جيجاهرتز؛ تيار مظلم < 1 ميكروأمبير عند انحياز -1 فولت.

التكامل مع منصات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون

تكاملكاشفات ضوئية عالية السرعةتُمكّن منصات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون من تطوير أجهزة إرسال واستقبال ضوئية متطورة ووصلات بينية. وتتمثل طريقتان رئيسيتان للتكامل فيما يلي: التكامل الأمامي (FEOL)، حيث يتم تصنيع الكاشف الضوئي والترانزستور في آنٍ واحد على ركيزة من السيليكون، مما يسمح بالمعالجة في درجات حرارة عالية، ولكنه يشغل مساحة من الشريحة. التكامل الخلفي (BEOL)، حيث يتم تصنيع الكواشف الضوئية فوق المعدن لتجنب التداخل مع تقنية CMOS، ولكنه يقتصر على درجات حرارة معالجة منخفضة.

الشكل 2: استجابة وعرض نطاق كاشف ضوئي عالي السرعة من الجرمانيوم/السيليكون

تطبيق مركز البيانات

تُعدّ أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة عنصرًا أساسيًا في الجيل القادم من ربط مراكز البيانات. تشمل التطبيقات الرئيسية ما يلي: أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية: معدلات 100 جيجابت/ثانية، و400 جيجابت/ثانية، وما فوق، باستخدام تعديل PAM-4؛ أكاشف ضوئي عالي النطاق الترددي(>50 جيجاهرتز) مطلوب.

دائرة متكاملة كهروضوئية قائمة على السيليكون: تكامل متجانس للكاشف مع المعدل والمكونات الأخرى؛ محرك بصري صغير الحجم وعالي الأداء.

البنية الموزعة: الربط البصري بين الحوسبة الموزعة والتخزين والتخزين؛ مما يدفع الطلب على أجهزة الكشف الضوئي عالية النطاق الترددي والموفرة للطاقة.

التوقعات المستقبلية

سيُظهر مستقبل أجهزة الكشف الضوئي الكهروضوئية المتكاملة عالية السرعة الاتجاهات التالية:

معدلات بيانات أعلى: تدفع إلى تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال 800G و 1.6T؛ هناك حاجة إلى أجهزة كشف ضوئية ذات نطاقات تردد أكبر من 100 جيجاهرتز.

تحسين التكامل: دمج مادة III-V والسيليكون في شريحة واحدة؛ تقنية التكامل ثلاثي الأبعاد المتقدمة.

مواد جديدة: استكشاف المواد ثنائية الأبعاد (مثل الجرافين) للكشف عن الضوء فائق السرعة؛ سبيكة جديدة من المجموعة الرابعة لتغطية أطوال موجية ممتدة.

التطبيقات الناشئة: تعمل تقنية LiDAR وغيرها من تطبيقات الاستشعار على دفع تطوير APD؛ تطبيقات الفوتونات الميكروية التي تتطلب كاشفات ضوئية عالية الخطية.

أصبحت أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة، وخاصةً أجهزة الكشف المصنوعة من الجرمانيوم أو السيليكون، محركًا رئيسيًا للإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون واتصالات الجيل القادم الضوئية. ويُعدّ استمرار تطوير المواد وتصميم الأجهزة وتقنيات التكامل أمرًا بالغ الأهمية لتلبية الطلب المتزايد على عرض النطاق الترددي لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات المستقبلية. ومع استمرار تطور هذا المجال، يُتوقع أن نشهد ظهور أجهزة كشف ضوئي ذات عرض نطاق ترددي أعلى، وضوضاء أقل، وتكامل سلس مع الدوائر الإلكترونية والضوئية.