للإلكترونات البصرية المستندة إلى السيليكون ، أجهزة الكشف الضوئي السيليكون (SI PhotoDetection)

لالإلكترونيات البصرية المستندة إلى السيليكون ، أجهزة الكشف عن السيليكون الضوئي

الكاكبات الضوئيةتحويل إشارات الضوء إلى إشارات كهربائية ، ومع استمرار تحسين معدلات نقل البيانات ، أصبحت أجهزة الكشف الضوئية عالية السرعة المدمجة مع منصات الإلكترونات البصرية القائمة على السيليكون مفتاحًا لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات. ستوفر هذه المقالة نظرة عامة على أجهزة الكشف الضوئية عالية السرعة المتقدمة ، مع التركيز على الجرمانيوم القائم على السيليكون (GE أو SI PhotoDetector)سيليكون الضوئيات الضوئيةلتكنولوجيا إلكترونيات بصري متكاملة.

تعد Germanium مادة جذابة للكشف عن ضوء الأشعة تحت الحمراء على منصات السيليكون لأنها متوافقة مع عمليات CMOS ولديها امتصاص قوي للغاية في أطوال موجات الاتصالات. بنية الكشف الضوئي الأكثر شيوعًا GE/SI هي الصمام الثنائي للدبوس ، حيث يقع الجرمانيوم الجوهري بين المناطق P-type و N-type.

يوضح هيكل الجهاز الشكل 1 دبوسًا عموديًا نموذجيًا GE أوSI PhotoDetectorبناء:

وتشمل الميزات الرئيسية: طبقة امتصاص الجرمانيوم المزروعة على ركيزة السيليكون ؛ تستخدم لجمع جهات الاتصالات P و N ؛ اقتران الدليل الموجي لامتصاص الضوء الفعال.

النمو الفوقي: إن زيادة الجودة عالية الجودة على السيليكون يمثل تحديًا بسبب عدم تطابق شعرية بنسبة 4.2 ٪ بين المادتين. عادةً ما تستخدم عملية نمو من خطوتين: درجة حرارة منخفضة (300-400 درجة مئوية) نمو طبقة عازلة ودرجة حرارة عالية (أعلى من 600 درجة مئوية) من الجرمانيوم. تساعد هذه الطريقة على التحكم في خلع الخيوط الناجم عن عدم تطابق الشبكة. تلبيس ما بعد النمو عند 800-900 درجة مئوية يقلل من كثافة خلع الخيوط إلى حوالي 10^7 سم^-2. خصائص الأداء: يمكن أن يحقق الكشف الضوئي الأكثر تقدماً GE /SI: الاستجابة ،> 0.8A /W في 1550 نانومتر ؛ عرض النطاق الترددي ،> 60 جيجا هرتز ؛ التيار المظلم ، <1 μA في -1 V التحيز.

 

التكامل مع منصات الإلكترونيات البصرية القائمة على السيليكون

دمجأجهزة الضوئية عالية السرعةمع منصات الإلكترونيات البصرية المستندة إلى السيليكون تتيح توصيلات وترابط ضوئية متقدمة. إن طريقتي التكامل الرئيسية هما كما يلي: التكامل الأمامي (FEOL) ، حيث يتم تصنيع الكاشف الضوئي والترانزستور في وقت واحد على ركيزة السيليكون مما يتيح معالجة درجات الحرارة العالية ، ولكن تناول مساحة الرقائق. التكامل الخلفي (Beol). يتم تصنيع أجهزة الكشف الضوئية أعلى المعدن لتجنب التداخل مع CMOs ، ولكنها تقتصر على درجات حرارة المعالجة المنخفضة.

الشكل 2: استجابة وعرض النطاق الترددي لمكشك GE/SI عالي السرعة

تطبيق مركز البيانات

تعد أجهزة الكشف الضوئية عالية السرعة مكونًا رئيسيًا في الجيل التالي من التوصيل البيني لمركز البيانات. تشمل التطبيقات الرئيسية: أجهزة الإرسال والاستقبال البصرية: 100 جم ، 400 جرام ومعدلات أعلى ، باستخدام تعديل PAM-4 ؛ أعرض النطاق الترددي العالي(> 50 جيجا هرتز) مطلوب.

الدائرة الإلكترونية البصرية المستندة إلى السيليكون: تكامل متجانس للكشف مع المغير والمكونات الأخرى ؛ محرك ضوئي مضغوط وعالي الأداء.

الهندسة المعمارية الموزعة: الترابط البصري بين الحوسبة الموزعة والتخزين والتخزين ؛ قيادة الطلب على أجهزة الكشف الضوئية الموفرة للطاقة ، عالية النطاق.

 

التوقعات المستقبلية

سيعرض مستقبل أجهزة الكشف الضوئية الإلكترونية البصرية المتكاملة الاتجاهات التالية:

معدلات البيانات الأعلى: قيادة تطوير 800G و 1.6T المستقبلين ؛ مطلوب أجهزة الكشف الضوئي مع النطاق الترددي أكبر من 100 جيجا هرتز.

التكامل المحسّن: تكامل رقاقة واحد للمواد والسيليكون III-V ؛ تقنية التكامل ثلاثية الأبعاد المتقدمة.

مواد جديدة: استكشاف المواد ثنائية الأبعاد (مثل الجرافين) للكشف عن الضوء فائق السرعة ؛ سبيكة مجموعة رابع جديدة لتغطية الطول الموجي الممتد.

التطبيقات الناشئة: تدفع LIDAR وتطبيقات الاستشعار الأخرى تطوير APD ؛ تطبيقات فوتون الميكروويف التي تتطلب أجهزة الكشف الضوئية ذات الخطية العالية.

 

أصبحت أجهزة الكشف الضوئية عالية السرعة ، وخاصة GE أو SI PhotoDetectors ، محركًا رئيسيًا للإلكترونيات البصرية القائمة على السيليكون والاتصالات البصرية من الجيل التالي. تعد التقدم المستمر في المواد وتصميم الأجهزة وتقنيات التكامل مهمة لتلبية متطلبات النطاق الترددي المتزايد لمراكز البيانات المستقبلية وشبكات الاتصالات. مع استمرار تطور الحقل ، يمكننا أن نتوقع رؤية أجهزة الكشف الضوئية ذات النطاق الترددي العالي ، وضوضاء أقل ، وتكامل سلس مع الدوائر الإلكترونية والضورية.


وقت النشر: يناير -20-2025