מבוא ל Photodiode Technologies

Photodiodes הם אבני בניין בסיסיות במערכות תקשורת אופטיות מודרניות, ממונעים עם המרת אותות אור הנכנסים לתוך זרמים חשמליים שניתן לעבד על ידי אלקטרוניקה. כמו תעבורת נתונים גלובלית ממשיכה להתפוצץ - מונע על ידי הזרמת וידאו, מחשוב ענן, IoT, ורשתות 5G/6G - הלחץ על מקלט אופטי כדי להתמודד עם רמות גבוהות יותר של נתונים, צריכת חשמל נמוכה יותר, רגישות גדולה יותר מעולם לא שימשה סיליקון מסורתי למיקרו-עשר שנים עבור מגבלות נמוכות יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר עבור מגבלות גבוהות יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר עבור מגבלות גבוהה יותר, 000 גבוה יותר עבור מגבלות גבוהה יותר, 000 גבוה יותר עבור מגבלות נטו יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר, 000 גבוה יותר עבור תכונות נמוכות יותר, 000 גבוה יותר, 000 000 000 גבוה יותר של אבטחה גבוהה יותר, 000 גבוה יותר, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

המגבלות של סיליקון עוררו מחקר אינטנסיבי בחומרים מוליכים למחצה חלופיים וארכיקטורות מכשירים חדשניות. מאמר זה חוקר את ההתקדמות המבטיחה ביותר בטכנולוגיות חומר פוטודיודות - ממוליכים למחצה מבוססים היטב כמו dium Gallium arsenide (InGaAs) כדי לעורר שני ממדים (2D) חומרים כגון גרפן - ולבחון כיצד חידושים אלה מעצבים את הדור הבא של מקלטים אופטיים, אנו דנים גם על ביצועים קריטיים, אתגרים פריסה, כמו גרוואטסטוריים, כמו אינטגרציה מסחרית.

תמונה: Fundamental Photodiode Performance Metrics

לפני צלילה לחומרים ספציפיים, חיוני להבין את מדדי הביצועים המרכזיים המניעים עיצוב photodiode לתקשורת אופטית מהירה:

  • (ב) יחס photocurrent:0)Responsivity (R) Responsivity (R)FIRLT:1: היחס של photocurrent למקרי חשמל אופטי, בדרך כלל בא לידי ביטוי ב-A/W. תגובה גבוהה יותר פירושו יותר אות לרמה אור נתונה.
  • (FLT:0)Quantum Efficiency (QEsherFLT) 1:1: השבריר של photons אירוע שיוצרים זוגות של חור אלקטרונים. Internal QE רואה יעילות ספיגה וספקית נושא; QE חיצוני כולל השתקפות והפסדים הפיכה.
  • (ב) ⁇ :0 (BW)W)אנדרטל 1: טווח התדר שעליו ניתן להגיב photodiode.עבור שיעור נתונים של 100 Gb/s ומעבר לכך, רוחב פס מעל 50 GHz נדרשים לעתים קרובות.
  • (ב) [15] , ⁇ : ⁇ ⁇ : זרם הזורם בהיעדר אור.הזרם האפל נמוך מקטין רעש ומשפר את הרגישות, במיוחד עבור יישומים נמוכים.
  • Noisevalent Power (NEP)cioFLT:1: הכוח האופטי המזהה המינימלי ליחס אות-לא-מסים של 1.נמוך NEP הוא קריטי עבור קישורים למרחקים ארוכים.
  • (ב) [15] ,הזמן ה-FLT: נקבע על ידי זמן המעבר ומשך זמן ה-RC קבוע.

כל טכנולוגיה חומרית מציעה ניתוק מסחר בין הפרמטרים הללו, והבחירה האופטימלית תלויה ביישום הספציפי – בין אם מדובר בחיבור קצר טווח של מרכז נתונים, רשת מטרו, או כבל טרנסג'נדרנטי.

חומרים מסורתיים: סיליקון וגרמניה

צילום: Silicon Photodiodes

הסיליקון נשאר סוס העבודה עבור גלויה וקרובה (NIR) גילוי עד -1.1 מיקרומטר תשתית הייצור הבוגרת שלה, עלות נמוכה, והתאמה עם CMOS אלקטרוניקה להפוך אותו אידיאלי עבור מקלטים פוטוניים משולבים במרכזי נתונים. עם זאת, כמו מהירויות קישור לדחוף את 400 Gb /s, רוחב הפס המוגבל של סיליקון (בדרך כלל 20

Germanium-on-Silicon (Ge-on-Si)

Germanium, עם הלהקה הישירה שלה של 0.80 eV בטמפרטורת החדר, סופגת חזק במודולים של ג'יסקו כמעט- in-infrared עד -1.6 מיקרומטר.זה הופך אותו למועמד מצוין לשילוב עם פלטפורמות פוטוניקה סיליקון.ג'ון-Si photodiodes מקטין באופן משמעותי את הפחתת ה-Climate cotances של GI בעוד שהם נהנים מאיכות תת-Vate ו-Epate של סיליקון (החומרי-Creper-Creper-Creper-Creperate) של 100.

מוליכים למחצה עבור מקבלי אישור גבוה

Indium Gallium Arsenide (InGaAs)

בGaAs, בדרך כלל גדל lattice-matched על InP substrates (InFLT:00.53FLT:1GacioFLT:2 0.47igFLT 3As), הפך חומר של בחירה עבור photodiodes הפועלים בטווח 1.3-1.6 μm.

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Indium Phosphide (InP) מבוסס Avalanche Photodiodes

APDs מבוסס InP הם קריטיים במיוחד עבור יישומים ארוכים.שכבת ריבוי משתמשת בתכונות ההון של InP השפעה חיובית, בעוד שכבת הקליטה היא InGaAs. התקדמות לאחרונה בFLT:0separate ספיגה, דירוג, מטען, ורב-כפלה (SCM)FLT:1 מבנים הובילו למכשירים עם רעש נמוך מאוד ורווח גבוה של מוצרי ACMIG, מעל $, 000 של רוחב פס גבוה יותר, 000.

2D חומרים מעוכבים

(ב) מעבר ל- III-V המסורתי ו-קבוצה-IV Semiconductors, התפתחה מחלקה חדשה של חומרים: שני חומרים (2D) כגון גרפן, מעבר dichalcogenides (TMDs, e.g., MoSFLT:02oriph:1, WSFLT:2FLT 3, WSLT5, LT:4Freaves:2Fal) ו-Falration:2Fal) תכונות אטומיות, אשר יכולות להציע חומרים אלה יכולות להציע תמונות אטומיות ייחודיות.

גרפיפן Photodetectors

Graphene יש ניידות גבוהה מאוד (עד 200,000 ס"מ / V-s) ו ספיגה פס רחב מ אולטרה סגול עד רחוק- infrared. Graphene photodetecators יכול להשיג רוחב פס גבוה מאוד, עם הפגנות מעל 500 GHz עבור זיהוי אולטרה-ארוכי, עם גרף נמוך של photogaol (2.3%) הוא מהפך גדול; החוקרים להפחית את זה על ידי שילוב גרף עם penebnbicoltols) עם גרף נמוך יותר של תמונות אופטיות.

Metal Dichalcogenides (TMDs)

(ב) מוצרים כגון MoSveFLT:0 [2Firves] ו- WSeveFLT:2FLT 3] יש להקות ישירות בכמעט-הקרוב להיקף גלוי, אפקטים גרפיים חזקים, ואפקטים ספיגה גבוהים על אף עוביים אטומיים (5% למונו-פול) הם נחקרים עבור גמישות, שקוף, שקוף, וגבוהים לתמונות עם רוחב פסים, לעומת גרף של 5.

שחור זרחן (BP)

זרחן שחור מגשר הפער בין גרפן ו- TMDs, המציעה מאגדת טונה (0.3-2.0 eV בהתאם עובי) וניידות חור גבוהה. BP photodetectecators רגישים מאוד אינפרא אדום, עם responsivities דומים InGaAs. עם זאת, BP degrads במהירות בתנאים מצופים, הדורשים vulcapsulation (למשל, עם סגסוגת יציבה).

סקירה מקיפה של פוטו-טקטים חומריים 2D, ראה את זה (FLT:0) טבע ננוטכנולוגיה סקירה סקירה מאמר FLT:1.

חומרים מתעוררים: Perovskites ו-Coloidal Quantum Dots

בנוסף לחומרים 2D, מתכת halide perovskites (למשל, CHFillo:0)3phve 1Hz 1NHoriFLT:23033ph lQPbIFLT:43FuapLT:5) ו-Coloidal Engineeringss (CQD, e.g., PbS) הם נבדקים עבור אפקטים של ספיגה נמוכה של חלבון קדמייתקומיים (CDC) אבל עדיין יש צורך נמוך יותר.

שילוב היברידי וטרוגני מתקרב

אחת המגמות המבטיחות ביותר היא השילוב ההטרוגני של מערכות חומרים שונות על פלטפורמת פוטוניקה משותפת סיליקון.גישה זו שואפת לשלב את הטוב ביותר של כל חומר: טכנולוגיית הגל הבוגרת של סיליקון, המהירות הגבוהה של InGaAs בזיהוי 1.55 מיקרומטר, ואת תאימות גרמניה.

  • (ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה], [ה], [ה], [ה]], [ה], [ה]]], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה']'']'], [ה'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
  • (FLT:0) גידול אפיפלימי על SiFLTRE:1: גדל 3-V שכבות ישירות על סיליקון באמצעות שכבות buffer (למשל, לייזרים קוונטיים ו photodiodes מפותחים ב UCSB ו-MIT).
  • (FLT:0Micro-transfer PrintFLT:1: טכניקת העברת המונים שמציבה prefabricated III-V מתה על מעגלים פוטוניים סיליקון עם דיוק גבוה.זה צובר מתחנן לשילוב בר-קיימא של לייזרים ו photodiodes.

תוכניות אינטגרציה אלה מאפשרות מקלטים אופטיים בעלי ביצועים גבוהים שעדיין תואמים עם ייצור CMOS בנפח גבוה.דוגמה היא תקן 100G Lambda MSA, אשר משתמש ב- Ge-on-Si או InGaAs photodiodes עם גל הסיליקון מונחות כדי להשיג 100 Gb /s לכל נתיב.

אתגרים בהנדסה חומרית והמכשיר

למרות התקדמות מרשימה, כמה אתגרים משמעותיים נותרו לפני שחומרי הצילום הבאים יהפכו לזרם המרכזי:

  1. (FLT:0) איכות אוויר ודחיסות פגומה 1FLT: חומרים מתעוררים רבים (Ge-on-Si, III-V-Si, 2D חומרים) סובלים מריכוזים פגמים גבוהים אשר מגבירים את הטכניקות הנוכחיות והפחתת האמינות של צמיחה מתקדמת (למשל, מלכודת יחס היבט עבור Ge, buffer הנדסה עבור III-V) אבל להוסיף עלות.
  2. (FLT:0) ניהול קדמון 1:1: ביישומים בעלי עוצמה גבוהה או גבוה של ג'יגהאין, פירוק חום הופך קריטי.InGaAs / InP APDs יכול לסבול מריצה תרמית אם לא מתוכנן כראוי.
  3. (FLT:0) ,הפיכת והפיכה 1:1: אור הפיכה בקלות מן סיבים אופטיים לתצלום בקנה מידה מיקרומטר הוא לא טריוויאלי.
  4. (FLT:0) Cost and ScaleabilityFLT:1: בעוד InGaAs על InP הוא טכנולוגיה בוגרת, זה נשאר יקר יותר מאשר פוטוניקה סיליקון. Graphene ו 2D חומרים עדיין בשלב המחקר, עם ייצור בקנה מידה וואט בחיתוליו.
  5. (FLT:0) אמינות ויציבות סביבתית 1: Perovskites ו זרחן שחור מחלחל תחת לחות וחום.אפילו InGaAs photodiodes דורש האריזה הפתטית לטווח ארוך.

כיוונים עתידיים ו- Outlook

במבט קדימה, כמה התפתחויות נועדו להאיץ את אימוץ של חומרים פוטודיודה מתקדמים:

  • (FLT:0) גילויי ראייה גלויים 1:1: מקלטים אופטיים הדור הבא דורשים photodiodes עם רעש נמוך מאוד לינאריות גבוהה. Balanced photodetectors מבוסס על InGaAs או Ge-on-Si הם אופטימיזציה עבור מערכות קוהרנטיות גבוהה.
  • (FLT:0) פוטוניקה-היכולה של AI/MLIRLT:1: קישורים אופטיים במחשוב בעל ביצועים גבוהים ומקבץ AI דורשים רוחב פס גבוה יותר.חומרי צילום חדשים שיכולים להתמודד עם >200 Gb/s לערוץ עם כוח נמוך נמצאים בפיתוח על ידי קבוצות כמו FLT:2N Next-Generationical Communications ConsoleFLT 3.
  • (FLT:0) phonics photonics פוטו-פראלי (FLT:1: גלאי צילום יחיד המבוססים על nanowires או avalanche photodiodes (למשל, באמצעות InGaAs / InP עבור אורכי גל טלקום) הם קריטיים עבור הפצה מפתח קוונטית מחשוב קוונטי.
  • (FLT:0) מקלט אופטי משולב על photonicsFLT סיליקון: המטרה הסופית היא מקלט מונוליטי הכולל גל מונח, photodiode, ו transimpedance amplifier (TIA) על שבב יחיד. בעוד Ge-on-Si photodiodes יכול להשתלב עם סיליקון, III-V חומרים כיום דורשים גישות מחקר היברידיות לתוך צמיחה ישירה-V (Ke) על ידי סיליקון (לדוגמה, באמצעות צורך ב-me) באמצעות צורך ב-Demt) באמצעות סיליקון.

השוק המסחרי של photodiodes צפוי לגדול ביותר מ 10% CAGR, מונע על ידי הרחבת מרכז נתונים ו 5G/6G תשתיות.על פי דו"ח שנערך לאחרונה על ידי FLT:0gnitive Market ResearchFLT:1, שוק photodiode העולמי צפוי להגיע 5.2 מיליארד דולר עד 2030.

לסיכום, ההתקדמות בחומרי פוטודיודה - מ-InGaAs / InP ו- Ge-on-Si ועד חיתוך חומרים 2D חדשניים, perovskites, ו- קוונטים dots - הם פותחים רמות חדשות של מהירות, רגישות ואינטגרציה. בעוד אתגרים באיכות החומרית, יציבות, ומיומנות האדם נשאר, קצב החדשנות הוא מאיץ.