シリコンベースのオプトエレクトロニクスの場合、シリコンフォトセクター（SIフォトセクター）

シリコンベースのオプトエレクトロニクスの場合、シリコンフォトセクター

光検出器光信号を電気信号に変換し、データ転送速度が向上し続けるにつれて、シリコンベースのOptoelectronicsプラットフォームと統合された高速光検出器が、次世代のデータセンターおよび通信ネットワークの鍵となります。この記事では、シリコンベースのゲルマニウム（GEまたはSIフォトセクター）に重点を置いた、高度な高速フォトセクターの概要を説明します。シリコンフォトセクター統合されたOptoelectronicsテクノロジー用。

ゲルマニウムは、CMOSプロセスと互換性があり、通信波長で非常に強い吸収を持っているため、シリコンプラットフォームでの近赤外光検出にとって魅力的な材料です。最も一般的なGE/SI光検出器構造は、PINダイオードであり、本質的なゲルマニウムがP型領域とN型領域の間に挟まれています。

デバイス構造図1は、典型的な垂直ピンGEまたはSIフォトセクター構造：

主な機能には、シリコン基板上で成長したゲルマニウム吸収層が含まれます。電荷キャリアのPおよびNの接触を収集するために使用。効率的な光吸収のための導波路カップリング。

エピタキシャルの成長：シリコンでの高品質のゲルマニウムの成長は、2つの材料間の4.2％の格子の不一致のために困難です。通常、2段階の成長プロセスが使用されます。低温（300〜400°C）バッファー層の成長とゲルマニウムの高温（600°Cを超える）堆積。この方法は、格子の不一致によって引き起こされるスレッドの転位を制御するのに役立ちます。 800-900°Cでの成長後のアニーリングは、スレッド脱臼密度をさらに約10^7 cm^-2に減少させます。パフォーマンスの特性：最先端のGE /SI PINフォトセクターが達成できます。応答性、1550 nmで> 0.8a /W。帯域幅、> 60 GHz;暗い電流、-1 Vバイアスで<1μA。

シリコンベースのOptoElectronicsプラットフォームとの統合

の統合高速フォトセクターシリコンベースのOptoElectronicsプラットフォームを使用すると、高度な光学トランシーバーと相互接続を可能にします。 2つの主要な統合方法は次のとおりです。フロントエンド統合（FEOL）。ここでは、光測定器とトランジスタがシリコン基板上で同時に製造され、高温処理を可能にしますが、チップ領域を占有します。バックエンド統合（BEOL）。 CMOSへの干渉を避けるために、フォトセクターは金属の上に製造されていますが、加工温度の低下に限定されています。

図2：高速GE/SIフォトセクターの応答性と帯域幅

データセンターアプリケーション

高速フォトセクターは、次世代のデータセンターの相互接続の重要なコンポーネントです。主なアプリケーションには、PAM-4変調を使用した光学トランシーバー：100g、400g以上のレートが含まれます。 a高帯域幅の光検出器（> 50 GHz）が必要です。

シリコンベースの光電子積分回路：検出器とモノリシック統合と変調器およびその他のコンポーネント。コンパクトな高性能光学エンジン。

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、ストレージの間の光相互接続。エネルギー効率の高い高帯域幅フォトセクターの需要を促進します。

将来の見通し

統合された光電子高速フォトセクターの将来は、次の傾向を示します。

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促進します。 100 GHzを超える帯域幅を持つフォトセクターが必要です。

統合の改善：III-V材料とシリコンの単一チップ統合。高度な3D統合技術。

新しい材料：超高速光検出のための2次元材料（グラフェンなど）の探索。拡張波長カバレッジのための新しいグループIV合金。

新しいアプリケーション：Lidarおよびその他のセンシングアプリケーションがAPDの開発を促進しています。高線形性フォトセクターを必要とするマイクロ波光子アプリケーション。

高速フォトセクター、特にGEまたはSIの光検出器は、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ドライバーになりました。材料、デバイスの設計、統合技術の継続的な進歩は、将来のデータセンターと通信ネットワークの帯域幅の需要を満たすために重要です。フィールドが進化し続けるにつれて、帯域幅が高く、ノイズが低く、電子回路とフォトニック回路とのシームレスな統合があるフォトセクターが見られることが期待できます。