सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्ससाठी, सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर्स
फोटोडिटेक्टर्सप्रकाश संकेतांचे विद्युत संकेतांमध्ये रूपांतर करतात आणि डेटा हस्तांतरण दर सतत सुधारत असल्यामुळे, सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लॅटफॉर्मसह एकत्रित केलेले उच्च-गती फोटोडिटेक्टर्स पुढील पिढीच्या डेटा सेंटर्स आणि दूरसंचार नेटवर्कसाठी महत्त्वाचे ठरले आहेत. हा लेख प्रगत उच्च-गती फोटोडिटेक्टर्सचा आढावा देईल, ज्यामध्ये सिलिकॉन-आधारित जर्मेनियम (Ge किंवा Si फोटोडिटेक्टर) वर विशेष भर दिला जाईल.सिलिकॉन फोटोडिटेक्टर्सएकात्मिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स तंत्रज्ञानासाठी.
सिलिकॉन प्लॅटफॉर्मवर जवळच्या इन्फ्रारेड प्रकाशाच्या शोधासाठी जर्मेनियम हा एक आकर्षक पदार्थ आहे, कारण तो CMOS प्रक्रियांशी सुसंगत आहे आणि दूरसंचार तरंगलांबीवर त्याचे शोषण अत्यंत तीव्र असते. सर्वात सामान्य Ge/Si फोटोडिटेक्टर रचना पिन डायोड आहे, ज्यामध्ये P-प्रकार आणि N-प्रकारच्या भागांच्या मध्ये नैसर्गिक जर्मेनियम ठेवलेले असते.
उपकरणाची रचना आकृती १ मध्ये एक सामान्य उभ्या पिनचे Ge किंवाSi फोटोडिटेक्टररचना:
मुख्य वैशिष्ट्यांमध्ये यांचा समावेश आहे: सिलिकॉन सबस्ट्रेटवर वाढवलेला जर्मेनियमचा शोषक थर; चार्ज कॅरिअर्सचे p आणि n कॉन्टॅक्ट्स गोळा करण्यासाठी वापरला जातो; कार्यक्षम प्रकाश शोषणासाठी वेव्हगाईड कपलिंग.
एपिटॅक्सियल वाढ: सिलिकॉन आणि जर्मेनियम या दोन पदार्थांमधील ४.२% लॅटिस विसंगतीमुळे, सिलिकॉनवर उच्च दर्जाचे जर्मेनियम वाढवणे आव्हानात्मक आहे. सामान्यतः दोन-टप्प्यांची वाढ प्रक्रिया वापरली जाते: कमी तापमानात (३००-४००°C) बफर लेयरची वाढ आणि उच्च तापमानात (६००°C पेक्षा जास्त) जर्मेनियमचे निक्षेपण. ही पद्धत लॅटिस विसंगतीमुळे होणाऱ्या थ्रेडिंग डिसलोकेशन्सवर नियंत्रण ठेवण्यास मदत करते. वाढीनंतर ८००-९००°C तापमानावर ॲनीलिंग केल्याने थ्रेडिंग डिसलोकेशनची घनता आणखी कमी होऊन सुमारे १०^७ cm^-२ होते. कार्यप्रदर्शन वैशिष्ट्ये: सर्वात प्रगत Ge/Si PIN फोटोडिटेक्टर खालील गोष्टी साध्य करू शकतो: प्रतिसादक्षमता, १५५० nm वर > ०.८A /W; बँडविड्थ, >६० GHz; डार्क करंट, -१ V बायसवर <१ μA.
सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लॅटफॉर्मसह एकत्रीकरण
एकत्रीकरणउच्च-गती फोटोडिटेक्टर्ससिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स प्लॅटफॉर्ममुळे प्रगत ऑप्टिकल ट्रान्सीव्हर्स आणि इंटरकनेक्ट्स शक्य होतात. एकीकरणाच्या दोन मुख्य पद्धती खालीलप्रमाणे आहेत: फ्रंट-एंड इंटिग्रेशन (FEOL), ज्यामध्ये फोटोडिटेक्टर आणि ट्रान्झिस्टर एकाच वेळी सिलिकॉन सबस्ट्रेटवर तयार केले जातात, ज्यामुळे उच्च-तापमानावर प्रक्रिया करणे शक्य होते, परंतु त्यासाठी चिपची जागा लागते. बॅक-एंड इंटिग्रेशन (BEOL). यामध्ये CMOS सोबत होणारा व्यत्यय टाळण्यासाठी फोटोडिटेक्टर्स धातूच्या वर तयार केले जातात, परंतु ते कमी प्रक्रिया तापमानापुरते मर्यादित असतात.
आकृती २: उच्च-गती Ge/Si फोटोडिटेक्टरची प्रतिसादक्षमता आणि बँडविड्थ
डेटा सेंटर ॲप्लिकेशन
हाय-स्पीड फोटोडिटेक्टर्स हे डेटा सेंटर इंटरकनेक्शनच्या पुढील पिढीतील एक महत्त्वाचा घटक आहेत. मुख्य अनुप्रयोगांमध्ये यांचा समावेश आहे: ऑप्टिकल ट्रान्सीव्हर्स: 100G, 400G आणि उच्च दर, PAM-4 मॉड्युलेशन वापरून;उच्च बँडविड्थ फोटोडिटेक्टर(>50 GHz) आवश्यक आहे.
सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक एकात्मिक सर्किट: डिटेक्टर, मॉड्युलेटर आणि इतर घटकांचे एकसंध एकीकरण; एक संक्षिप्त, उच्च-कार्यक्षमतेचे ऑप्टिकल इंजिन.
वितरित आर्किटेक्चर: वितरित संगणन, स्टोरेज आणि स्टोरेज यांच्यातील ऑप्टिकल इंटरकनेक्शन; ऊर्जा-कार्यक्षम, उच्च-बँडविड्थ फोटोडिटेक्टर्सची मागणी वाढवत आहे.
भविष्यातील दृष्टिकोन
एकात्मिक ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक हाय-स्पीड फोटोडिटेक्टर्सचे भविष्य खालील प्रवृत्ती दर्शवेल:
उच्च डेटा दर: 800G आणि 1.6T ट्रान्सीव्हर्सच्या विकासाला चालना देत आहेत; 100 GHz पेक्षा जास्त बँडविड्थ असलेल्या फोटोडिटेक्टर्सची आवश्यकता आहे.
सुधारित एकीकरण: III-V मटेरियल आणि सिलिकॉनचे सिंगल चिप एकीकरण; प्रगत 3D एकीकरण तंत्रज्ञान.
नवीन सामग्री: अतिवेगवान प्रकाश शोधनासाठी द्विमितीय सामग्रीचा (जसे की ग्राफीन) शोध; विस्तारित तरंगलांबी व्याप्तीसाठी एक नवीन गट IV मिश्रधातू.
उदयोन्मुख अनुप्रयोग: LiDAR आणि इतर सेन्सिंग अनुप्रयोग APD च्या विकासाला चालना देत आहेत; मायक्रोवेव्ह फोटॉन अनुप्रयोग ज्यांना उच्च रेषीयता असलेल्या फोटोडिटेक्टर्सची आवश्यकता असते.
उच्च-गतीचे फोटोडिटेक्टर्स, विशेषतः Ge किंवा Si फोटोडिटेक्टर्स, हे सिलिकॉन-आधारित ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स आणि पुढच्या पिढीच्या ऑप्टिकल कम्युनिकेशन्सचे प्रमुख चालक बनले आहेत. भविष्यातील डेटा सेंटर्स आणि दूरसंचार नेटवर्क्सच्या वाढत्या बँडविड्थच्या मागण्या पूर्ण करण्यासाठी मटेरियल्स, डिव्हाइस डिझाइन आणि इंटिग्रेशन तंत्रज्ञानातील सततची प्रगती महत्त्वाची आहे. हे क्षेत्र जसजसे विकसित होत राहील, तसतसे आपल्याला उच्च बँडविड्थ, कमी नॉइज आणि इलेक्ट्रॉनिक व फोटोनिक सर्किट्ससोबत अखंड इंटिग्रेशन असलेले फोटोडिटेक्टर्स पाहायला मिळतील अशी अपेक्षा आहे.
पोस्ट करण्याची वेळ: २० जानेवारी २०२५