सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए, सिलिकॉन फोटोडेटेक्टर्स (एसआई फोटोडेटेक्टर)

सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स के लिए, सिलिकॉन फोटोडेटेक्टर्स

फोटोडेटेक्टर्सप्रकाश संकेतों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करें, और जैसा कि डेटा ट्रांसफर दरों में सुधार जारी है, सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफार्मों के साथ एकीकृत उच्च-गति वाले फोटोडेटेक्टर्स अगली पीढ़ी के डेटा केंद्रों और दूरसंचार नेटवर्क के लिए महत्वपूर्ण बन गए हैं। यह लेख सिलिकॉन आधारित जर्मेनियम (जीई या एसआई फोटोडेटेक्टर) पर जोर देने के साथ उन्नत उच्च गति वाले फोटोडेटेक्टर्स का अवलोकन प्रदान करेगा।सिलिकॉन फोटोडेटेक्टर्सएकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक तकनीक के लिए।

जर्मेनियम सिलिकॉन प्लेटफार्मों पर अवरक्त प्रकाश का पता लगाने के लिए एक आकर्षक सामग्री है क्योंकि यह सीएमओएस प्रक्रियाओं के साथ संगत है और दूरसंचार तरंग दैर्ध्य में बेहद मजबूत अवशोषण है। सबसे आम जीई/एसआई फोटोडेटेक्टर संरचना पिन डायोड है, जिसमें आंतरिक जर्मेनियम को पी-प्रकार और एन-प्रकार के क्षेत्रों के बीच सैंडविच किया जाता है।

डिवाइस संरचना चित्रा 1 एक विशिष्ट ऊर्ध्वाधर पिन जीई या दिखाता हैसी फोटोडेटेक्टरसंरचना:

मुख्य विशेषताओं में शामिल हैं: सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उगाई जाने वाली जर्मेनियम अवशोषित परत; चार्ज वाहक के पी और एन संपर्कों को इकट्ठा करने के लिए उपयोग किया जाता है; कुशल प्रकाश अवशोषण के लिए वेवगाइड युग्मन।

एपिटैक्सियल ग्रोथ: सिलिकॉन पर उच्च गुणवत्ता वाले जर्मेनियम बढ़ते हुए दो सामग्रियों के बीच 4.2% जाली बेमेल के कारण चुनौतीपूर्ण है। एक दो-चरणीय वृद्धि प्रक्रिया का उपयोग आमतौर पर किया जाता है: कम तापमान (300-400 डिग्री सेल्सियस) बफर परत की वृद्धि और उच्च तापमान (600 डिग्री सेल्सियस से ऊपर) जर्मेनियम के बयान। यह विधि जाली बेमेल के कारण होने वाले थ्रेडिंग अव्यवस्थाओं को नियंत्रित करने में मदद करती है। 800-900 डिग्री सेल्सियस पर पोस्ट-ग्रोथ एनीलिंग ने थ्रेडिंग डिस्लोकेशन घनत्व को लगभग 10^7 सेमी^-2 तक कम कर दिया। प्रदर्शन विशेषताएँ: सबसे उन्नत GE /SI पिन फोटोडेटेक्टर प्राप्त कर सकते हैं: जवाबदेही,> 0.8A /W 1550 एनएम पर; बैंडविड्थ,> 60 गीगाहर्ट्ज; डार्क करंट, <1 μA -1 V पूर्वाग्रह पर।

सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक प्लेटफार्मों के साथ एकीकरण

का एकीकरणउच्च गति वाले फोटोडेटेक्टर्ससिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लेटफार्मों के साथ उन्नत ऑप्टिकल ट्रांसीवर्स और इंटरकनेक्ट्स को सक्षम करता है। दो मुख्य एकीकरण विधियाँ इस प्रकार हैं: फ्रंट-एंड इंटीग्रेशन (FEOL), जहां फोटोडेटेक्टर और ट्रांजिस्टर एक साथ एक सिलिकॉन सब्सट्रेट पर उच्च तापमान प्रसंस्करण के लिए अनुमति देते हैं, लेकिन चिप क्षेत्र को लेते हैं। बैक-एंड इंटीग्रेशन (BEOL)। फोटोडेटेक्टर्स को सीएमओ के साथ हस्तक्षेप से बचने के लिए धातु के शीर्ष पर निर्मित किया जाता है, लेकिन कम प्रसंस्करण तापमान तक सीमित हैं।

चित्रा 2: एक उच्च गति जीई/एसआई फोटोडेटेक्टर की जवाबदेही और बैंडविड्थ

आँकड़ा केंद्र अनुप्रयोग

उच्च गति वाले फोटोडेटेक्टर्स डेटा सेंटर इंटरकनेक्शन की अगली पीढ़ी में एक प्रमुख घटक हैं। मुख्य अनुप्रयोगों में शामिल हैं: ऑप्टिकल ट्रांससीवर्स: 100 ग्राम, 400 ग्राम और उच्च दरों, PAM-4 मॉड्यूलेशन का उपयोग करके; एउच्च बैंडविड्थ फोटोडेटेक्टर(> ५० GHz) आवश्यक है।

सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक इंटीग्रेटेड 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 फोटोडेटेक्टर्स की मांग को चलाना।

भविष्य के दृष्टिकोण

एकीकृत ऑप्टोइलेक्ट्रोनिक हाई-स्पीड फोटोडेटेक्टर्स का भविष्य निम्नलिखित रुझान दिखाएगा:

उच्च डेटा दरें: 800g और 1.6T ट्रांससीवर्स के विकास को चलाना; 100 गीगाहर्ट्ज से अधिक बैंडविड्थ वाले फोटोडेटेक्टर्स की आवश्यकता होती है।

बेहतर एकीकरण: III-V सामग्री और सिलिकॉन का एकल चिप एकीकरण; उन्नत 3 डी एकीकरण प्रौद्योगिकी।

नई सामग्री: अल्ट्राफास्ट लाइट डिटेक्शन के लिए दो-आयामी सामग्री (जैसे ग्राफीन) की खोज; विस्तारित तरंग दैर्ध्य कवरेज के लिए एक नया समूह IV मिश्र धातु।

उभरते अनुप्रयोग: LIDAR और अन्य सेंसिंग एप्लिकेशन APD के विकास को चला रहे हैं; माइक्रोवेव फोटॉन अनुप्रयोगों को उच्च रैखिकता फोटोडेटेक्टर्स की आवश्यकता होती है।

हाई-स्पीड फोटोडेटेक्टर्स, विशेष रूप से जीई या एसआई फोटोडेटेक्टर्स, सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक और अगली पीढ़ी के ऑप्टिकल संचार का एक प्रमुख चालक बन गया है। सामग्री, डिवाइस डिजाइन और एकीकरण प्रौद्योगिकियों में निरंतर प्रगति भविष्य के डेटा केंद्रों और दूरसंचार नेटवर्क की बढ़ती बैंडविड्थ मांगों को पूरा करने के लिए महत्वपूर्ण हैं। जैसे -जैसे क्षेत्र विकसित होता जा रहा है, हम इलेक्ट्रॉनिक और फोटोनिक सर्किट के साथ उच्च बैंडविड्थ, कम शोर और निर्बाध एकीकरण के साथ फोटोडेटेक्टर्स को देखने की उम्मीद कर सकते हैं।