بالنسبة للإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، أجهزة الكشف الضوئية السيليكونية (جهاز الكشف الضوئي السيليكوني)

بالنسبة للإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، أجهزة الكشف الضوئية السيليكونية

أجهزة كشف ضوئيةتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية، ومع استمرار تحسن معدلات نقل البيانات، أصبحت أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة المدمجة مع منصات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون أساسيةً لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات من الجيل التالي. ستقدم هذه المقالة لمحة عامة عن أجهزة الكشف الضوئي المتقدمة عالية السرعة، مع التركيز على جهاز الكشف الضوئي المصنوع من الجرمانيوم (Ge أو Si).كاشفات ضوئية من السيليكونلتكنولوجيا الإلكترونيات البصرية المتكاملة.

يُعد الجرمانيوم مادةً جذابةً للكشف عن الأشعة تحت الحمراء القريبة على منصات السيليكون، نظرًا لتوافقه مع عمليات CMOS، وقدرته العالية على الامتصاص عند أطوال موجات الاتصالات. وأكثر تركيبات كاشف الضوء شيوعًا بين الجرمانيوم والسيليكون هو الصمام الثنائي الدبوسي، حيث يقع الجرمانيوم الجوهري بين منطقتي النوع P والنوع N.

هيكل الجهاز يوضح الشكل 1 دبوسًا رأسيًا نموذجيًا من نوع Ge أوكاشف ضوئي للسيليكونبناء:

تشمل الميزات الرئيسية ما يلي: طبقة امتصاص الجرمانيوم المزروعة على ركيزة السيليكون؛ تستخدم لجمع جهات اتصال p وn لحاملات الشحنة؛ اقتران الموجات الموجهة لامتصاص الضوء بكفاءة.

النمو الفوقي: يُعدّ نمو الجرمانيوم عالي الجودة على السيليكون تحديًا نظرًا لعدم توافق الشبكة بين المادتين بنسبة 4.2%. تُستخدم عادةً عملية نمو من خطوتين: نمو طبقة عازلة في درجة حرارة منخفضة (300-400 درجة مئوية) وترسيب الجرمانيوم في درجة حرارة عالية (أعلى من 600 درجة مئوية). تساعد هذه الطريقة على التحكم في خلع الخيوط الناتج عن عدم توافق الشبكة. يُقلّل التلدين بعد النمو عند درجة حرارة 800-900 درجة مئوية كثافة خلع الخيوط إلى حوالي 10^7 سم^-2. خصائص الأداء: يُمكن لجهاز الكشف الضوئي Ge/Si PIN الأكثر تطورًا تحقيق ما يلي: استجابة > 0.8 أمبير/واط عند 1550 نانومتر؛ عرض نطاق ترددي > 60 جيجاهرتز؛ تيار مظلم <1 ميكرو أمبير عند انحياز -1 فولت.

التكامل مع منصات الإلكترونيات البصرية القائمة على السيليكون

التكاملأجهزة الكشف الضوئية عالية السرعةباستخدام منصات الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون، تُمكّن هذه المنصات من إنتاج أجهزة إرسال واستقبال ضوئية متطورة ووصلات بينية. طريقتا التكامل الرئيسيتان هما: التكامل الأمامي (FEOL)، حيث يُصنع الكاشف الضوئي والترانزستور في آنٍ واحد على ركيزة سيليكونية، مما يسمح بالمعالجة في درجات حرارة عالية، مع شغل مساحة الشريحة. التكامل الخلفي (BEOL). تُصنع الكاشفات الضوئية فوق المعدن لتجنب التداخل مع CMOS، ولكنها تقتصر على درجات حرارة معالجة منخفضة.

الشكل 2: الاستجابة وعرض النطاق الترددي لكاشف ضوئي عالي السرعة من الجرمانيوم والسيليكون

تطبيق مركز البيانات

تُعدّ أجهزة الكشف الضوئي عالية السرعة عنصرًا أساسيًا في الجيل القادم من ربط مراكز البيانات. تشمل التطبيقات الرئيسية: أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية: بمعدلات 100 جيجابت، 400 جيجابت، وأعلى، باستخدام تعديل PAM-4؛كاشف ضوئي عالي النطاق الترددي(>50 جيجاهرتز) مطلوب.

دائرة متكاملة بصرية إلكترونية تعتمد على السيليكون: تكامل متجانس للكاشف مع المُعدِّل والمكونات الأخرى؛ محرك بصري مدمج وعالي الأداء.

الهندسة المعمارية الموزعة: الترابط البصري بين الحوسبة الموزعة والتخزين والتخزين؛ مما يؤدي إلى زيادة الطلب على أجهزة الكشف الضوئي عالية النطاق الترددي وكفاءة الطاقة.

النظرة المستقبلية

سيظهر مستقبل أجهزة الكشف الضوئية عالية السرعة المتكاملة الإلكترونية البصرية الاتجاهات التالية:

معدلات بيانات أعلى: دفع تطوير أجهزة الإرسال والاستقبال بسرعة 800 جيجابت و1.6 تيرا بايت؛ هناك حاجة إلى أجهزة كشف ضوئي ذات نطاقات ترددية أكبر من 100 جيجاهرتز.

تحسين التكامل: دمج شريحة واحدة من مادة III-V والسيليكون؛ تكنولوجيا التكامل ثلاثية الأبعاد المتقدمة.

مواد جديدة: استكشاف المواد ثنائية الأبعاد (مثل الجرافين) لاكتشاف الضوء فائق السرعة؛ سبيكة جديدة من المجموعة الرابعة لتغطية الطول الموجي الممتد.

التطبيقات الناشئة: تعمل تقنية LiDAR وتطبيقات الاستشعار الأخرى على دفع تطوير APD؛ تطبيقات الفوتون الميكروويفي التي تتطلب كاشفات ضوئية عالية الخطية.

أصبحت الكواشف الضوئية عالية السرعة، وخاصةً الكواشف الضوئية المصنوعة من الجرمانيوم والسيليكون، محركًا رئيسيًا في الإلكترونيات الضوئية القائمة على السيليكون والاتصالات الضوئية من الجيل التالي. يُعدّ التقدم المستمر في المواد وتصميم الأجهزة وتقنيات التكامل أمرًا بالغ الأهمية لتلبية الطلب المتزايد على النطاق الترددي لمراكز البيانات وشبكات الاتصالات المستقبلية. ومع استمرار تطور هذا المجال، نتوقع رؤية كواشف ضوئية ذات نطاق ترددي أعلى، وضوضاء أقل، وتكامل سلس مع الدوائر الإلكترونية والفوتونية.