실리콘 기반 광전자공학의 경우 실리콘 광검출기
광검출기광 신호를 전기 신호로 변환하는 기술이 발전하고 있으며, 데이터 전송 속도가 지속적으로 향상됨에 따라 실리콘 기반 광전자 플랫폼과 통합된 고속 광검출기가 차세대 데이터 센터 및 통신 네트워크의 핵심 기술로 자리 잡았습니다. 본 논문에서는 실리콘 기반 게르마늄(Ge 또는 Si 광검출기)을 중심으로 첨단 고속 광검출기에 대한 개요를 제공합니다.실리콘 광검출기통합 광전자 기술에 대한 정보입니다.
게르마늄은 CMOS 공정과 호환되고 통신 파장에서 매우 강한 흡수율을 나타내기 때문에 실리콘 플랫폼에서 근적외선 검출에 적합한 소재입니다. 가장 일반적인 Ge/Si 광검출기 구조는 PIN 다이오드로, 고유 게르마늄이 P형과 N형 영역 사이에 삽입되어 있습니다.
장치 구조 그림 1은 일반적인 수직 핀 Ge 또는Si 광검출기구조:
주요 특징은 다음과 같습니다. 실리콘 기판에 성장된 게르마늄 흡수층; 전하 캐리어의 p 및 n 접촉을 수집하는 데 사용; 효율적인 빛 흡수를 위한 도파관 결합.
에피택셜 성장: 실리콘 위에 고품질 게르마늄을 성장시키는 것은 두 재료 간의 4.2% 격자 부정합으로 인해 어려움이 있습니다. 일반적으로 두 단계 성장 공정이 사용됩니다. 저온(300-400°C) 버퍼층 성장과 고온(600°C 이상) 게르마늄 증착입니다. 이 방법은 격자 부정합으로 인한 쓰레딩 전위(threading dislocation)를 제어하는 데 도움이 됩니다. 성장 후 800-900°C에서 어닐링 처리를 하면 쓰레딩 전위 밀도가 약 10^7 cm^-2로 더욱 감소합니다. 성능 특성: 최첨단 Ge/Si PIN 광검출기는 1550nm에서 0.8A/W 이상의 응답성, 60GHz 이상의 대역폭, -1V 바이어스에서 1μA 미만의 암전류를 달성할 수 있습니다.
실리콘 기반 광전자 플랫폼과의 통합
의 통합고속 광검출기실리콘 기반 광전자 플랫폼을 통해 고급 광 트랜시버 및 상호연결이 가능합니다. 두 가지 주요 집적 방식은 다음과 같습니다. 프런트엔드 집적(FEOL)은 광검출기와 트랜지스터를 실리콘 기판에 동시에 제조하여 고온 공정이 가능하지만 칩 면적을 차지합니다. 백엔드 집적(BEOL)은 광검출기를 CMOS와의 간섭을 피하기 위해 금속 기판 위에 제조하지만, 낮은 공정 온도로 제한됩니다.
그림 2: 고속 Ge/Si 광검출기의 반응성 및 대역폭
데이터 센터 애플리케이션
고속 광검출기는 차세대 데이터 센터 상호연결의 핵심 부품입니다. 주요 응용 분야는 다음과 같습니다. PAM-4 변조 방식을 사용하는 100G, 400G 이상의 광 트랜시버;고대역폭 광검출기(>50 GHz)가 필요합니다.
실리콘 기반 광전자 집적 회로: 검출기와 변조기 및 기타 구성 요소의 일체형 통합; 소형 고성능 광 엔진.
분산 아키텍처: 분산 컴퓨팅, 스토리지 및 저장소 간의 광학적 상호 연결; 에너지 효율적이고 대역폭이 높은 광 검출기에 대한 수요를 촉진합니다.
미래 전망
통합 광전자 고속 광검출기의 미래는 다음과 같은 추세를 보일 것으로 예상됩니다.
더 높은 데이터 전송 속도: 800G 및 1.6T 트랜시버 개발을 주도하고, 100GHz 이상의 대역폭을 갖춘 광검출기가 필요합니다.
향상된 통합: III-V 소재와 실리콘의 단일 칩 통합, 고급 3D 통합 기술.
새로운 소재: 초고속 빛 감지를 위한 2차원 소재(그래핀 등) 탐색, 확장된 파장 범위를 위한 새로운 IV족 합금.
새로운 응용 분야: LiDAR 및 기타 감지 응용 분야가 APD 개발을 주도하고 있습니다. APD는 높은 선형성 광검출기를 필요로 하는 마이크로파 광자 응용 분야입니다.
고속 광검출기, 특히 Ge 또는 Si 광검출기는 실리콘 기반 광전자공학과 차세대 광통신의 핵심 동력이 되었습니다. 미래 데이터 센터와 통신 네트워크의 증가하는 대역폭 수요를 충족하기 위해서는 소재, 소자 설계, 그리고 집적 기술의 지속적인 발전이 중요합니다. 이 분야가 지속적으로 발전함에 따라, 더 높은 대역폭, 더 낮은 잡음, 그리고 전자 및 광 회로와의 완벽한 통합을 갖춘 광검출기가 등장할 것으로 예상됩니다.
게시 시간: 2025년 1월 20일