실리콘 기반 광전자공학의 경우, 실리콘 광검출기가 있습니다.
광검출기광 신호를 전기 신호로 변환하는 광검출기는 데이터 전송 속도가 지속적으로 향상됨에 따라 실리콘 기반 광전자 플랫폼과 통합된 고속 광검출기로 차세대 데이터 센터 및 통신 네트워크의 핵심 요소가 되었습니다. 본 논문에서는 실리콘 기반 게르마늄(Ge 또는 Si) 광검출기를 중심으로 첨단 고속 광검출기에 대한 개요를 제공합니다.실리콘 광검출기집적 광전자 기술용.
게르마늄은 CMOS 공정과 호환되고 통신 파장대에서 흡수율이 매우 높기 때문에 실리콘 플랫폼에서 근적외선 검출에 매력적인 소재입니다. 가장 일반적인 Ge/Si 광검출기 구조는 P형 및 N형 영역 사이에 게르마늄이 샌드위치 형태로 존재하는 pin 다이오드입니다.
장치 구조 그림 1은 일반적인 수직 핀 Ge 또는실리콘 광검출기구조:
주요 특징은 다음과 같습니다: 실리콘 기판 위에 성장된 게르마늄 흡수층; 전하 운반체의 p형 및 n형 접점을 모으는 데 사용됨; 효율적인 광 흡수를 위한 도파관 결합.
에피택셜 성장: 실리콘 위에 고품질 게르마늄을 성장시키는 것은 두 물질 간의 4.2% 격자 불일치 때문에 어려운 과제입니다. 일반적으로 저온(300-400°C) 버퍼층 성장과 고온(600°C 이상) 게르마늄 증착이라는 두 단계 성장 공정이 사용됩니다. 이 방법은 격자 불일치로 인한 전위 발생을 제어하는 데 도움이 됩니다. 800-900°C에서 후처리 열처리를 통해 전위 밀도를 약 10⁷ cm⁻²까지 더욱 낮출 수 있습니다. 성능 특성: 최첨단 Ge/Si PIN 광검출기는 다음과 같은 성능을 달성할 수 있습니다. 응답성: 1550 nm에서 > 0.8A/W; 대역폭: > 60 GHz; 암전류: -1 V 바이어스에서 < 1 μA.
실리콘 기반 광전자 플랫폼과의 통합
통합고속 광검출기실리콘 기반 광전자 플랫폼을 통해 고급 광 트랜시버 및 인터커넥트를 구현할 수 있습니다. 주요 통합 방식은 크게 두 가지로 나눌 수 있습니다. 첫째, 프런트엔드 통합(FEOL) 방식은 광검출기와 트랜지스터를 실리콘 기판에 동시에 제조하여 고온 공정이 가능하지만 칩 면적을 차지합니다. 둘째, 백엔드 통합(BEOL) 방식은 CMOS와의 간섭을 피하기 위해 광검출기를 금속 기판 위에 제조하지만, 낮은 공정 온도에서만 사용 가능하다는 한계가 있습니다.
그림 2: 고속 Ge/Si 광검출기의 응답성 및 대역폭
데이터센터 애플리케이션
고속 광검출기는 차세대 데이터센터 상호 연결의 핵심 구성 요소입니다. 주요 응용 분야는 다음과 같습니다. 광 트랜시버: PAM-4 변조를 사용하는 100G, 400G 이상의 속도; A고대역폭 광검출기(>50GHz)가 필요합니다.
실리콘 기반 광전자 집적 회로: 검출기와 변조기 및 기타 구성 요소의 단일 칩 통합; 소형 고성능 광학 엔진.
분산 아키텍처: 분산 컴퓨팅, 스토리지 및 스토리지 간의 광학적 상호 연결; 에너지 효율이 높고 대역폭이 넓은 광검출기에 대한 수요 증가.
미래 전망
미래의 집적형 광전자 고속 광검출기는 다음과 같은 추세를 보일 것입니다.
더 높은 데이터 전송률: 800G 및 1.6T 송수신기 개발을 촉진하고 있으며, 100GHz 이상의 대역폭을 가진 광검출기가 필요합니다.
향상된 집적도: III-V 소재와 실리콘의 단일 칩 집적; 첨단 3D 집적 기술.
새로운 소재: 초고속 광 검출을 위한 2차원 소재(예: 그래핀) 탐구; 확장된 파장 범위를 위한 새로운 4족 합금.
새로운 응용 분야: LiDAR 및 기타 센싱 응용 분야가 APD 개발을 주도하고 있으며, 높은 선형성을 요구하는 마이크로파 광자 응용 분야도 주목받고 있습니다.
고속 광검출기, 특히 게르마늄(Ge) 또는 실리콘(Si) 광검출기는 실리콘 기반 광전자공학 및 차세대 광통신의 핵심 동력으로 자리 잡았습니다. 미래 데이터 센터와 통신 네트워크의 증가하는 대역폭 요구를 충족하기 위해서는 소재, 소자 설계 및 집적 기술의 지속적인 발전이 필수적입니다. 이 분야가 계속 발전함에 따라, 더 높은 대역폭, 더 낮은 잡음, 그리고 전자 및 광자 회로와의 완벽한 통합을 갖춘 광검출기를 만나볼 수 있을 것으로 기대됩니다.
게시 시간: 2025년 1월 20일