シリコンベースの光電子デバイスでは、シリコン光検出器（Si光検出器）

シリコンベースの光電子工学では、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、シリコンベースの光電子プラットフォームと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、先進的な高速光検出器の概要を説明します。シリコンフォトディテクタ集積光電子技術向け。

ゲルマニウムは、CMOSプロセスとの互換性があり、通信波長帯で非常に強い吸収特性を持つため、シリコンプラットフォーム上での近赤外光検出に魅力的な材料である。最も一般的なGe/Siフォトディテクタ構造はPINダイオードであり、真性ゲルマニウムがP型領域とN型領域の間に挟まれている。

デバイス構造 図1は、典型的な垂直ピンGeまたはSiフォトディテクタ構造：

主な特徴は以下のとおりです。シリコン基板上に成長させたゲルマニウム吸収層。電荷キャリアのp型およびn型接点を収集するために使用されます。効率的な光吸収のための導波路結合。

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 4.2% の格子不整合のため困難です。通常、2 段階の成長プロセスが使用されます。低温 (300 ～ 400 °C) のバッファ層の成長と、高温 (600 °C 以上) でのゲルマニウムの堆積です。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制御するのに役立ちます。800 ～ 900 °C での成長後アニーリングにより、貫通転位密度がさらに約 10^7 cm^-2 まで低減されます。性能特性: 最先端の Ge/Si PIN フォトディテクタは、1550 nm での応答性 > 0.8A /W、帯域幅 > 60 GHz、-1 V バイアスでの暗電流 < 1 μA を達成できます。

シリコンベースの光電子プラットフォームとの統合

統合高速光検出器シリコンベースの光電子プラットフォームにより、高度な光トランシーバーと相互接続が可能になります。主な集積方法は次の2つです。フロントエンド集積（FEOL）：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ことで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）：光検出器はCMOSとの干渉を避けるために金属上に製造されますが、処理温度は低くなります。

図2：高速Ge/Siフォトディテクタの応答性と帯域幅

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構成要素です。主な用途には、PAM-4変調を使用した100G、400G以上のレートの光トランシーバーなどがあります。高帯域幅フォトディテクタ（50GHz以上）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一体化したモノリシック集積構造。小型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、およびストレージ間の光相互接続。エネルギー効率が高く、高帯域幅の光検出器に対する需要を牽引。

将来展望

集積型光電子高速フォトディテクタの将来は、以下の傾向を示すだろう。

高速データレート：800Gおよび1.6Tトランシーバーの開発を推進。100GHzを超える帯域幅を持つフォトディテクタが必要となる。

統合性の向上：III-V族材料とシリコンの単一チップ統合。高度な3D統合技術。

新素材：超高速光検出のための二次元材料（グラフェンなど）の探索。波長範囲を拡大するための新しい第IV族合金。

新たな応用分野：LiDARやその他のセンシング用途がAPDの開発を牽引している。マイクロ波光子用途では、高い直線性を持つ光検出器が求められる。

高速光検出器、特にゲルマニウム（Ge）やシリコン（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および次世代光通信の重要な推進力となっています。材料、デバイス設計、および集積技術の継続的な進歩は、将来のデータセンターや通信ネットワークにおける増大する帯域幅需要を満たすために重要です。この分野が進化を続けるにつれて、より高い帯域幅、より低いノイズ、そして電子回路や光回路とのシームレスな統合を実現した光検出器が登場することが期待されます。