सिलिकॉन आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए, सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर
फोटोडिटेक्टरप्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करने के साथ-साथ, डेटा स्थानांतरण दर में लगातार सुधार होने के कारण, सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफॉर्म 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 एक संक्षिप्त विवरण प्रदान करेगा, जिसमें सिलिकॉन-आधारित जर्मेनियम (Ge या Si फोटोडिटेक्टर) पर विशेष जोर दिया जाएगा।सिलिकॉन फोटोडिटेक्टरएकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्रौद्योगिकी के लिए।
सिलिकॉन प्लेटफॉर्म पर निकट अवरक्त प्रकाश का पता लगाने के लिए जर्मेनियम एक आकर्षक सामग्री है क्योंकि यह CMOS प्रक्रियाओं के अनुकूल है और दूरसंचार तरंग दैर्ध्य पर इसका अवशोषण अत्यंत प्रबल होता है। सबसे आम Ge/Si फोटोडिटेक्टर संरचना पिन डायोड है, जिसमें आंतरिक जर्मेनियम को P-प्रकार और N-प्रकार क्षेत्रों के बीच सैंडविच किया जाता है।
डिवाइस संरचना चित्र 1 में एक विशिष्ट ऊर्ध्वाधर पिन Ge याSi फोटोडिटेक्टरसंरचना:
इसकी मुख्य विशेषताओं में शामिल हैं: सिलिकॉन सब्सट्रेट पर विकसित जर्मेनियम अवशोषक परत; आवेश वाहकों के p और n संपर्कों को एकत्रित करने के लिए उपयोग किया जाता है; कुशल प्रकाश अवशोषण के लिए वेवगाइड कपलिंग।
एपिटैक्सियल वृद्धि: सिलिकॉन पर उच्च गुणवत्ता वाले जर्मेनियम का विकास करना चुनौतीपूर्ण है क्योंकि दोनों सामग्रियों के बीच 4.2% की जाली बेमेलता होती है। आमतौर पर दो-चरणीय विकास प्रक्रिया का उपयोग किया जाता है: कम तापमान (300-400°C) पर बफर परत का विकास और उच्च तापमान (600°C से ऊपर) पर जर्मेनियम का निक्षेपण। यह विधि जाली बेमेलता के कारण होने वाले थ्रेडिंग विस्थापन को नियंत्रित करने में सहायक होती है। 800-900°C पर विकास के बाद एनीलिंग करने से थ्रेडिंग विस्थापन घनत्व लगभग 10^7 cm^-2 तक और कम हो जाता है। प्रदर्शन विशेषताएँ: सबसे उन्नत Ge/Si PIN फोटोडिटेक्टर निम्न प्रदर्शन 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
एकीकरणउच्च गति वाले फोटोडिटेक्टरसिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफॉर्म उन्नत ऑप्टिकल ट्रांससीवर और इंटरकनेक्ट को सक्षम बनाते हैं। एकीकरण की दो मुख्य विधियाँ इस प्रकार हैं: फ्रंट-एंड एकीकरण (FEOL), जिसमें फोटोडिटेक्टर और ट्रांजिस्टर को एक साथ सिलिकॉन सब्सट्रेट पर निर्मित किया जाता है, जिससे उच्च तापमान पर प्रसंस्करण संभव होता है, लेकिन चिप का क्षेत्रफल बढ़ जाता है। बैक-एंड एकीकरण (BEOL)। CMOS के साथ हस्तक्षेप से बचने के लिए फोटोडिटेक्टर को धातु के ऊपर निर्मित किया जाता है, लेकिन यह कम प्रसंस्करण तापमान तक सीमित है।
चित्र 2: उच्च गति वाले Ge/Si फोटोडिटेक्टर की प्रतिक्रियाशीलता और बैंडविड्थ
डेटा सेंटर एप्लिकेशन
हाई-स्पीड फोटोडिटेक्टर अगली पीढ़ी के डेटा सेंटर इंटरकनेक्शन में एक प्रमुख घटक हैं। मुख्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं: ऑप्टिकल ट्रांससीवर: 100G, 400G और उच्चतर दरें, PAM-4 मॉड्यूलेशन का उपयोग करते हुए;उच्च बैंडविड्थ फोटोडिटेक्टर(>50 GHz) आवश्यक है।
सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकीकृत परिपथ: डिटेक्टर, मॉड्यूलेटर और अन्य घटकों का अखंड एकीकरण; एक कॉम्पैक्ट, उच्च-प्रदर्शन वाला ऑप्टिकल इंजन।
वितरित वास्तुकला: वितरित कंप्यूटिंग, भंडारण और डेटा स्टोरेज के बीच ऑप्टिकल अंतर्संबंध; ऊर्जा-कुशल, उच्च-बैंडविड्थ वाले फोटोडिटेक्टरों की मांग को बढ़ावा देना।
भविष्य की संभावनाएं
एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक हाई-स्पीड फोटोडिटेक्टरों का भविष्य निम्नलिखित रुझानों को प्रदर्शित करेगा:
उच्च डेटा दरें: 800G और 1.6T ट्रांससीवर के विकास को गति प्रदान करना; 100 GHz से अधिक बैंडविड्थ वाले फोटोडिटेक्टरों की आवश्यकता है।
बेहतर एकीकरण: III-V सामग्री और सिलिकॉन का एकल चिप एकीकरण; उन्नत 3D एकीकरण तकनीक।
नई सामग्रियां: अति तीव्र प्रकाश का पता लगाने के लिए द्वि-आयामी सामग्रियों (जैसे ग्राफीन) की खोज; विस्तारित तरंगदैर्ध्य कवरेज के लिए एक नई समूह IV मिश्र धातु।
उभरते अनुप्रयोग: लिडार और अन्य संवेदन अनुप्रयोग एपीडी के विकास को गति दे रहे हैं; माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों के लिए उच्च रैखिकता वाले 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 नेटवर्क की बढ़ती बैंडविड्थ मांगों को पूरा करने के लिए सामग्री, उपकरण डिजाइन और एकीकरण प्रौद्योगिकियों में निरंतर प्रगति महत्वपूर्ण है। जैसे-जैसे यह क्षेत्र विकसित होता रहेगा, हम उच्च बैंडविड्थ, कम शोर और इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक सर्किट के साथ सहज एकीकरण वाले फोटोडिटेक्टर देखने की उम्मीद कर सकते हैं।
पोस्ट करने का समय: 20 जनवरी 2025