ለሲሊኮን ላይ ለተመሰረቱ ኦፕቶኤሌክትሮኒክስ፣ የሲሊኮን ፎቶዴቴክተሮች (ሲ ፎቶዴቴክተር)

ለሲሊኮን ላይ ለተመሰረቱ ኦፕቶኤሌክትሮኒክስ፣ የሲሊኮን ፎቶዲቴክተሮች

የፎቶ ዳሳሾችየብርሃን ምልክቶችን ወደ ኤሌክትሪክ ሲግናሎች ይቀይሩ፣ እና የውሂብ ዝውውር መጠኖች እየተሻሻሉ ሲሄዱ፣ ከሲሊኮን ላይ ከተመሰረቱ የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ መድረኮች ጋር የተዋሃዱ ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎች ለቀጣዩ ትውልድ የውሂብ ማዕከላት እና የቴሌኮሙኒኬሽን ኔትወርኮች ቁልፍ ሆነዋል። ይህ ጽሑፍ በሲሊኮን ላይ በተመሰረቱ ጀርማኒየም (Ge ወይም Si photodetector) ላይ አፅንዖት በመስጠት የላቁ ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎችን አጠቃላይ እይታ ያቀርባል።የሲሊኮን ፎቶዲቴክተሮችለተቀናጀ የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ ቴክኖሎጂ።

ጀርማኒየም በሲሊኮን መድረኮች ላይ ለኢንፍራሬድ ብርሃን ለይቶ ማወቅ ማራኪ ቁሳቁስ ነው ምክንያቱም ከሲኤምኦኤስ ሂደቶች ጋር ተኳሃኝ ስለሆነ እና በቴሌኮሙኒኬሽን የሞገድ ርዝመት እጅግ በጣም ጠንካራ መምጠጥ ስላለው። በጣም የተለመደው የGe/Si ፎቶዲቴክተር መዋቅር ፒን ዳዮድ ሲሆን በውስጡም ውስጣዊው ጀርማኒየም በP-type እና N-type ክልሎች መካከል የተጣበቀ ነው።

የመሳሪያው መዋቅር ምስል 1 የተለመደውን ቋሚ ፒን ያሳያል Ge ወይምሲ ፎቶዲቴክተርመዋቅር፡

ዋናዎቹ ባህሪያት የሚከተሉትን ያካትታሉ፡- በሲሊኮን ንጣፍ ላይ የሚበቅል የጀርማኒየም አምጪ ንብርብር፤ የቻርጅ ተሸካሚዎችን የ p እና n ግንኙነቶችን ለመሰብሰብ የሚያገለግል፤ ለብርሃን ቀልጣፋ መምጠጥ የWaveguide ትስስር።

የኤፒታክሲያል እድገት፡- በሁለቱ ቁሳቁሶች መካከል ባለው የ4.2% የላቲስ አለመመጣጠን ምክንያት በሲሊኮን ላይ ከፍተኛ ጥራት ያለው ጀርማኒየም ማሳደግ ፈታኝ ነው። ባለ ሁለት ደረጃ የእድገት ሂደት ብዙውን ጊዜ ጥቅም ላይ ይውላል፡- ዝቅተኛ የሙቀት መጠን (300-400°ሴ) የቋት ንብርብር እድገት እና ከፍተኛ የሙቀት መጠን (ከ600°ሴ በላይ) የጀርማኒየም ክምችት። ይህ ዘዴ በላቲስ አለመመጣጠን ምክንያት የሚከሰቱ የክር መቆራረጥን ለመቆጣጠር ይረዳል። በ800-900°ሴ የእድገት ማጠንከሪያ የክር መቆራረጥን ጥግግት ወደ 10^7 ሴ.ሜ^-2 ያህል ይቀንሳል። የአፈጻጸም ባህሪያት፡- በጣም የላቀው የGe/Si ፒን ፎቶዲቴክተር የሚከተሉትን ሊያሳካ ይችላል፡- ምላሽ ሰጪነት፣ > 0.8A /W በ1550 nm፤ ባንድዊድዝ፣>60 GHz፤ ጥቁር ጅረት፣ <1 μA በ-1 V ባየራ።

ከሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ መድረኮች ጋር ውህደት

ውህደትከፍተኛ ፍጥነት ያለው የፎቶ መመርመሪያ መሳሪያዎችበሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ መድረኮችን በመጠቀም የተራቀቁ የኦፕቲካል ትራንስሲቨሮችን እና ግንኙነቶችን ያስችላል። ሁለቱ ዋና ዋና የውህደት ዘዴዎች እንደሚከተለው ናቸው፡ የፊት-መጨረሻ ውህደት (FEOL)፣ የፎቶዲቴክተር እና ትራንዚስተር በአንድ ጊዜ በሲሊኮን ንጣፍ ላይ የሚመረቱበት ቦታ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ያለው ሂደት እንዲኖር ያስችላል፣ ነገር ግን የቺፕ ቦታን ይወስዳል። የኋላ-መጨረሻ ውህደት (BEOL)። የፎቶዲቴክተሮች በሲኤምኦኤስ ላይ ጣልቃ ገብነትን ለማስወገድ በብረቱ ላይ ይመረታሉ፣ ነገር ግን በዝቅተኛ የማቀነባበሪያ የሙቀት መጠን የተገደቡ ናቸው።

ምስል 2፡ የከፍተኛ ፍጥነት Ge/Si ፎቶዲቴክተር ምላሽ ሰጪነት እና የመተላለፊያ ይዘት

የውሂብ ማዕከል መተግበሪያ

ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎች በሚቀጥለው ትውልድ የውሂብ ማዕከል ግንኙነት ውስጥ ቁልፍ አካል ናቸው። ዋና ዋና አፕሊኬሽኖች የሚከተሉትን ያካትታሉ፡ የኦፕቲካል ትራንስሲቨሮች፡ 100G፣ 400G እና ከዚያ በላይ ፍጥነቶች፣ PAM-4 ሞዱሽን በመጠቀም፤ከፍተኛ የመተላለፊያ ፎቶዲቴክተር(>50 GHz) ያስፈልጋል።

በሲሊኮን ላይ የተመሰረተ የኦፕቶኤሌክትሮኒክ የተቀናጀ ዑደት፡- የመመርመሪያ ሞኖሊቲክ ውህደት ከሞዱለር እና ከሌሎች አካላት ጋር፤ የታመቀ፣ ከፍተኛ አፈጻጸም ያለው የኦፕቲካል ሞተር።

የተከፋፈለ አርክቴክቸር፡ በተከፋፈለ ኮምፒውተር፣ ማከማቻ እና ማከማቻ መካከል የኦፕቲካል ትስስር፤ ለኃይል ቆጣቢ፣ ከፍተኛ ባንድዊድዝ የፎቶ ፈላጊዎች ፍላጎትን ማሳደግ።

የወደፊት ተስፋ

የተዋሃዱ የኦፕቶኤሌክትሮኒክስ ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎች የወደፊት ሁኔታ የሚከተሉትን አዝማሚያዎች ያሳያል፡

ከፍተኛ የውሂብ መጠን፡- የ800ጂ እና የ1.6ቲ ትራንስሲቨሮች እድገትን የሚያነቃቃ፤ ከ100 GHz በላይ የመተላለፊያ ይዘት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎች ያስፈልጋሉ።

የተሻሻለ ውህደት፡ የ III-V ቁሳቁስ እና ሲሊኮን ነጠላ ቺፕ ውህደት፤ የላቀ የ3-ልኬት ውህደት ቴክኖሎጂ።

አዳዲስ ቁሳቁሶች፡- እጅግ በጣም ፈጣን የብርሃን መለየትን ለማግኘት ባለ ሁለት ገጽታ ቁሳቁሶችን (እንደ ግራፊን ያሉ) ማሰስ፤ ለተራዘመ የሞገድ ርዝመት ሽፋን አዲስ የቡድን IV ቅይጥ።

አዳዲስ አፕሊኬሽኖች፡- LiDAR እና ሌሎች የዳሰሳ አፕሊኬሽኖች የAPD እድገትን እያሳደጉ ነው፤ ከፍተኛ መስመራዊ የፎቶ መመርመሪያዎችን የሚጠይቁ የማይክሮዌቭ ፎቶን አፕሊኬሽኖች።

ከፍተኛ ፍጥነት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎች፣ በተለይም የGe ወይም Si ፎቶ መመርመሪያዎች፣ በሲሊኮን ላይ የተመሰረቱ ኦፕቶኤሌክትሮኒክስ እና የቀጣይ ትውልድ የኦፕቲካል ግንኙነቶች ቁልፍ አንቀሳቃሽ ሆነዋል። በቁሳቁሶች፣ በመሳሪያ ዲዛይን እና በውህደት ቴክኖሎጂዎች ውስጥ ቀጣይ እድገቶች የወደፊት የውሂብ ማዕከላት እና የቴሌኮሙኒኬሽን ኔትወርኮች እያደገ የመጣውን የመተላለፊያ ይዘት ፍላጎት ለማሟላት አስፈላጊ ናቸው። መስኩ እያደገ ሲሄድ፣ ከፍ ያለ የመተላለፊያ ይዘት፣ ዝቅተኛ ድምጽ እና ከኤሌክትሮኒክ እና ፎቶኒክ ሰርክዩቶች ጋር እንከን የለሽ ውህደት ያላቸው የፎቶ መመርመሪያዎችን ማየት እንደምንችል መጠበቅ እንችላለን።