सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए, सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
फोटोडिटेक्टरप्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करने में सक्षम, और जैसे-जैसे डेटा स्थानांतरण दर में सुधार हो रहा है, सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफ़ॉर्म के साथ एकीकृत उच्च-गति वाले फोटोडिटेक्टर अगली पीढ़ी के डेटा केंद्रों और दूरसंचार नेटवर्क के लिए महत्वपूर्ण बन गए हैं। यह लेख उन्नत उच्च-गति वाले फोटोडिटेक्टरों का अवलोकन प्रदान करेगा, जिसमें सिलिकॉन-आधारित जर्मेनियम (Ge या Si फोटोडिटेक्टर) पर विशेष ध्यान दिया जाएगा।सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरएकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी के लिए।
सिलिकॉन प्लेटफ़ॉर्म पर निकट अवरक्त प्रकाश संसूचन के लिए जर्मेनियम एक आकर्षक पदार्थ है क्योंकि यह CMOS प्रक्रियाओं के अनुकूल है और दूरसंचार तरंगदैर्ध्य पर इसका अवशोषण अत्यंत प्रबल है। सबसे आम Ge/Si फोटोडिटेक्टर संरचना पिन डायोड है, जिसमें आंतरिक जर्मेनियम P-प्रकार और N-प्रकार क्षेत्रों के बीच स्थित होता है।
डिवाइस संरचना चित्र 1 एक विशिष्ट ऊर्ध्वाधर पिन Ge या दिखाता हैSi फोटोडिटेक्टरसंरचना:
मुख्य विशेषताओं में शामिल हैं: सिलिकॉन सब्सट्रेट पर विकसित जर्मेनियम अवशोषित परत; चार्ज वाहकों के पी और एन संपर्कों को इकट्ठा करने के लिए उपयोग किया जाता है; कुशल प्रकाश अवशोषण के लिए वेवगाइड युग्मन।
एपीटैक्सियल वृद्धि: सिलिकॉन पर उच्च गुणवत्ता वाले जर्मेनियम की खेती दोनों पदार्थों के बीच 4.2% जाली बेमेल के कारण चुनौतीपूर्ण है। आमतौर पर दो-चरणीय वृद्धि प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है: निम्न तापमान (300-400°C) बफर परत वृद्धि और उच्च तापमान (600°C से ऊपर) पर जर्मेनियम का निक्षेपण। यह विधि जाली बेमेल के कारण होने वाले थ्रेडिंग अव्यवस्थाओं को नियंत्रित करने में मदद करती है। 800-900°C पर वृद्धि-पश्चात तापानुशीतन (एनीलिंग) थ्रेडिंग अव्यवस्था घनत्व को लगभग 10^7 cm^-2 तक कम कर देता है। प्रदर्शन विशेषताएँ: सबसे उन्नत Ge/Si PIN फोटोडिटेक्टर निम्न प्राप्त कर सकता है: प्रतिक्रियाशीलता, 1550 nm पर > 0.8A/W; बैंडविड्थ, >60 GHz; डार्क करंट, -1 V बायस पर <1 μA।
सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफार्मों के साथ एकीकरण
का एकीकरणउच्च गति वाले फोटोडिटेक्टरसिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफ़ॉर्म के साथ, उन्नत ऑप्टिकल ट्रांसीवर और इंटरकनेक्ट सक्षम होते हैं। दो मुख्य एकीकरण विधियाँ इस प्रकार हैं: फ्रंट-एंड इंटीग्रेशन (FEOL), जहाँ फोटोडिटेक्टर और ट्रांजिस्टर एक साथ सिलिकॉन सब्सट्रेट पर निर्मित होते हैं, जिससे उच्च तापमान प्रसंस्करण संभव होता है, लेकिन चिप क्षेत्र अधिक होता है। बैक-एंड इंटीग्रेशन (BEOL)। CMOS के साथ हस्तक्षेप से बचने के लिए फोटोडिटेक्टर धातु के ऊपर निर्मित होते हैं, लेकिन निम्न प्रसंस्करण तापमान तक सीमित होते हैं।
चित्र 2: एक उच्च गति वाले Ge/Si फोटोडिटेक्टर की प्रतिक्रियाशीलता और बैंडविड्थ
डेटा सेंटर अनुप्रयोग
उच्च-गति वाले फोटोडिटेक्टर अगली पीढ़ी के डेटा सेंटर इंटरकनेक्शन में एक प्रमुख घटक हैं। मुख्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं: ऑप्टिकल ट्रांसीवर: 100G, 400G और उच्चतर गति, PAM-4 मॉड्यूलेशन का उपयोग करते हुए; Aउच्च बैंडविड्थ फोटोडिटेक्टर(>50 गीगाहर्ट्ज) की आवश्यकता है।
सिलिकॉन आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकृत सर्किट: मॉड्यूलेटर और अन्य घटकों के साथ डिटेक्टर का अखंड एकीकरण; एक कॉम्पैक्ट, उच्च प्रदर्शन ऑप्टिकल इंजन।
वितरित वास्तुकला: वितरित कंप्यूटिंग, भंडारण और भंडारण के बीच ऑप्टिकल इंटरकनेक्शन; ऊर्जा-कुशल, उच्च-बैंडविड्थ फोटोडिटेक्टरों की मांग को बढ़ावा देना।
भविष्य का दृष्टिकोण
एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उच्च गति फोटोडिटेक्टरों का भविष्य निम्नलिखित रुझान दिखाएगा:
उच्चतर डेटा दर: 800G और 1.6T ट्रांसीवर के विकास को बढ़ावा देना; 100 GHz से अधिक बैंडविड्थ वाले फोटोडिटेक्टर की आवश्यकता है।
उन्नत एकीकरण: III-V सामग्री और सिलिकॉन का एकल चिप एकीकरण; उन्नत 3D एकीकरण प्रौद्योगिकी।
नई सामग्रियां: अल्ट्राफास्ट प्रकाश का पता लगाने के लिए दो-आयामी सामग्रियों (जैसे ग्रेफीन) की खोज; विस्तारित तरंगदैर्ध्य कवरेज के लिए एक नया समूह IV मिश्र धातु।
उभरते अनुप्रयोग: LiDAR और अन्य संवेदन अनुप्रयोग APD के विकास को गति दे रहे हैं; माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए उच्च रैखिकता फोटोडिटेक्टरों की आवश्यकता होती है।
उच्च गति वाले फोटोडिटेक्टर, विशेष रूप से Ge या Si फोटोडिटेक्टर, सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल संचार के प्रमुख चालक बन गए हैं। भविष्य के डेटा केंद्रों और दूरसंचार नेटवर्कों की बढ़ती बैंडविड्थ माँगों को पूरा करने के लिए सामग्रियों, उपकरण डिज़ाइन और एकीकरण तकनीकों में निरंतर प्रगति महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे यह क्षेत्र विकसित होता रहेगा, हम उच्च बैंडविड्थ, कम शोर और इलेक्ट्रॉनिक व फोटोनिक सर्किटों के साथ निर्बाध एकीकरण वाले फोटोडिटेक्टर देखने की उम्मीद कर सकते हैं।
पोस्ट करने का समय: 20 जनवरी 2025