シリコンベースのオプトエレクトロニクスでは、シリコン光検出器（Si光検出器）

シリコンベースのオプトエレクトロニクスでは、シリコン光検出器

光検出器光信号を電気信号に変換する技術であり、データ転送速度の向上に伴い、シリコンベースのオプトエレクトロニクスプラットフォームに統合された高速光検出器は、次世代データセンターや通信ネットワークの鍵となっています。本稿では、シリコンベースのゲルマニウム（GeまたはSi）光検出器を中心に、高度な高速光検出器の概要を説明します。シリコン光検出器統合オプトエレクトロニクス技術向け。

ゲルマニウムはCMOSプロセスとの互換性があり、通信波長域で極めて強い吸収を示すため、シリコンプラットフォーム上での近赤外光検出に適した材料です。最も一般的なGe/Si光検出器の構造はPINダイオードで、真性ゲルマニウムがP型領域とN型領域に挟まれています。

デバイス構造 図1は、典型的な垂直ピンGeまたはSi光検出器構造：

主な特徴は、シリコン基板上に成長したゲルマニウム吸収層、電荷キャリアの p 接点と n 接点の収集に使用、効率的な光吸収のための導波路結合などです。

エピタキシャル成長：シリコン上に高品質のゲルマニウムを成長させることは、2つの材料間の格子不整合が4.2%あるため困難です。通常、低温（300～400℃）でのバッファ層成長と高温（600℃以上）でのゲルマニウム堆積という2段階の成長プロセスが用いられます。この方法は、格子不整合によって引き起こされる貫通転位を抑制するのに役立ちます。成長後の800～900℃でのアニール処理により、貫通転位密度はさらに約10^7 cm^-2まで低減します。性能特性：最先端のGe/Si PIN光検出器は、応答性（1550 nmで0.8A /W以上）、帯域幅（60GHz以上）、暗電流（-1Vバイアスで1μA未満）を実現できます。

シリコンベースのオプトエレクトロニクスプラットフォームとの統合

の統合高速光検出器シリコンベースのオプトエレクトロニクス・プラットフォームにより、高度な光トランシーバとインターコネクトが可能になります。主な集積方法は2つあります。フロントエンド集積（FEOL）では、光検出器とトランジスタをシリコン基板上に同時に製造するため、高温処理が可能になりますが、チップ面積を占有します。バックエンド集積（BEOL）では、CMOSとの干渉を避けるため、光検出器は金属基板上に製造されますが、処理温度は低温に制限されます。

図2: 高速Ge/Si光検出器の応答性と帯域幅

データセンターアプリケーション

高速光検出器は、次世代データセンター相互接続の重要なコンポーネントです。主な用途としては、PAM-4変調方式を用いた100G、400G以上の高速光トランシーバーなどがあります。高帯域幅光検出器(>50GHz)が必要です。

シリコンベースの光電子集積回路: 検出器と変調器およびその他のコンポーネントをモノリシックに統合した、コンパクトで高性能な光エンジン。

分散アーキテクチャ: 分散コンピューティング、ストレージ、ストレージ間の光相互接続。エネルギー効率の高い高帯域幅の光検出器の需要を促進します。

将来の見通し

統合型光電子高速光検出器の将来には、次のような傾向が見られます。

より高いデータ レート: 800G および 1.6T トランシーバーの開発を推進します。100 GHz を超える帯域幅を持つ光検出器が必要です。

統合性の向上：III-V 材料とシリコンのシングルチップ統合、高度な 3D 統合テクノロジー。

新素材: 超高速光検出用の 2 次元素材 (グラフェンなど) の調査、拡張波長範囲をカバーする新しいグループ IV 合金。

新たなアプリケーション: LiDAR やその他のセンシング アプリケーションが APD の開発を推進しています。高直線性の光検出器を必要とするマイクロ波光子アプリケーションです。

高速光検出器、特にGeまたはSi光検出器は、シリコンベースのオプトエレクトロニクスと次世代光通信の重要な推進力となっています。将来のデータセンターや通信ネットワークの増大する帯域幅需要を満たすには、材料、デバイス設計、そして集積技術の継続的な進歩が重要です。この分野が進化を続けるにつれ、より広い帯域幅、より低ノイズ、そして電子回路や光子回路とのシームレスな統合を実現する光検出器の登場が期待されます。