고속 광 수신기용 Photodiode Materials의 비교 분석

고속 광 수신기의 Photodiode 성능의 기초

광다이오드의 고속 광 통신 시스템은 광 신호를 전기 전류로 변환하기 위해 광 신호를 의존합니다. 광다이오드에서 사용되는 재료는 주요 성능 측정을 결정합니다. 회비 (A / W), 대역폭 (GHz), 어두운 전류 (노이즈) 및 작동 파장 범위. 25 GHz에서 작동되는 수신기를 위해 반도체는 대상 파장에서 높은 캐리어 이동성 및 강한 흡수 계수를 모두 전시해야합니다. 이 분석은 스트레이트 광다이오드 재료 (광다이오드), 광학 섬유 (광섬유) 및 광 통신 (광섬유)에 대한 대안을 비교합니다.

핵심 Photodiode 물자

실리콘 Photodiodes

실리콘 (Si) 광다이드 도미니트 응용 분야에 가까운 적외선 범위 (400-1100 nm)에 가시성. 성숙한 CMOS 제작 공정, 저비용 및 매우 낮은 어두운 현재 (일반적으로 picoamps)에서 그들의 광대한 사용 줄기. 그러나, 실리콘의 간접적인 bandgap (1.12 eV)는 900 nm 이상 약한 흡수, 캐리어 이동성 (대략적으로 1500 cm2/V·s)에 있는 결과 대략 1-5 GHz의 실리콘 (대중한 광학적인)에 그것의 대역폭을 제한합니다.

Germanium 사진

독일은 1600 nm에 흡수를 확장하는 좁은 간접적인 bandgap (0.67 eV)를 제공합니다. 전체 O- 및 C 밴드를 텔레콤에서 사용하는. Ge photodiodes는 실리콘에 대폭적으로 통합 될 수 있으며, 실리콘 광 수신기를 가능하게합니다. 전형적인 책임은 0.5-0.7 A / W에 도달합니다. 지칭에 따라 10-50 GHz의 대역폭이 있습니다. 독일의 주요 밀리그램은 현재 3 / 900 °C의 광역량으로 인해 더 밝고 실용성이 높지만, 3 / 900 °C의 광역량은 더 밝고 실용성이 높으며, 3 / 900 °C의 광역이 더 밝습니다.

인듐 갈륨 Arsenide (InGaAs) 포토다이오드

InGaAs는 일반적으로 In0.53Ga0.47As의 구성과 InP에 적합하며 고속 광 수신기를위한 워크 마트입니다. 그것은 900-1700 nm의 범위에서 높은 흡수 계수 (104-105 cm-11)를 생산하는 직접 Bandgap (0.75 eV)를 가지고 있습니다. 응답률은 1550 nm의 0.9 A / W를 초과하고 전동 이동성은 10,000 cm2 / V를 초과하고 대역폭을 100 GHz의 이동성을 가능하게하며 현재는 100 GHz의 광 파장을 초과하는 광 신호 (Agental)를 사용합니다.

갈륨 아센데 (GaAs) 및 다른 III-V 화합물

GaAs photodiodes (bandgap 1.42 eV)는 600-900 nm에서 작동하며 데이터 센터의 850 nm 다중 모드 섬유 (VCSEL 기반)에 최적화됩니다. 그들은 높은 대역폭 (25-50 GHz) 및 저소음을 제공하지만 1310/1550 nm 파장을 감지 할 수 없습니다. 전문 응용 분야의 경우, 인듐 포스피드 (InP) 및 인듐 갤런 아세르네이드 포스피드 (InGaAsP)와 같은 재료는 160 GHz의 실리콘 밴드를 포함합니다. 그러나 이러한 물질은 160 GHz의 실리콘 밴드보다 더 높은 물질을 나타냅니다. 그러나 이러한 물질은 160 GHz의 실리콘 밴드보다 더 높은 물질을 나타냅니다.

성능 비교 Across Key Metrics

1550 nm의 응답성: InGaAs (0.9 A/W) > Ge (0.5 A/W) > Si (경도)
Bandwidth (p-i-n 구조): InGaAs (60–100 GHz) > 지 (20–50 GHz) > Si (1–10 GHz)
Dark 현재 밀도: Si (10 pA/cm2) < InGaAs (100 nA/cm2) < Ge (1 μA/cm2)
가공 당 상승: Si
CMOS로 통합: Si (native) > Ge (epitaxial) > InGaAs (hybrid Bond)

이 거래는 실리콘이 저속 센서를 지배하는 이유를 설명합니다. 게르마늄은 실리콘 광닉스의 간격을 채우고 InGaAs는 가장 높은 성능을 위해 선택 남아 있습니다. 단일 재료는 고속 광 수신기의 모든 요구 사항을 만족하지 않습니다. 시스템 건축가는 비용, 전력 또는 대역폭을 우선적으로 우선해야합니다.

재료 선택에 있는 무역 떨어져

파장 특정 요구 사항

긴 운반 통신 (C- 및 L 밴드)는 1500 nm, 제거 실리콘을 초과하는 흡수를 요구합니다. 1550 nm에 자유로운 공간 광학 (FSO) 커뮤니케이션을 위해, InGaAs는 높은 감도를 가진 눈 안전한 힘 수준을 달성하는 것을 필요합니다. 850 nm VCSELs를 사용하는 Datacom 연결은 GaAs 또는 Si (≤10 Gbps를 위해)에서 이득을 얻습니다. 1060 nm에 짧은 도달 PAM4 연결을 강화하는 것은 긴장된 지 또는 InGaAAs에서 흡음을 감소시키기 위하여 물질을 감소시킵니다. 또한 좁은 동요에 있는 방위 범위는 더 좁은 방출 범위를 감소시키기 위하여 물질을 감소시킵니다.

통합 및 포장

InGaAs photodiodes가 실리콘 광전지 회로에 접착되는 하이브리드 통합은 비용 그러나 성과를 보존합니다. Monolithic germanium-on-silicon은 볼륨 생산을 위해 매력적이지만 격자 잡화로 인해 추가 된 어두운 전류에서 고통받습니다. 연구자들은 등급 버퍼 레이어와 양자 잘 구조를 개발하기 위해 결함을 완화합니다. 초고속 수신기 (> 100 Gbaud)의 경우 광전지 용량 및 저항력과 같은 필수 재료는 필수적입니다.

Emerging Materials and Technologies의 장점

그래핀 광검출기

Graphene의 초고 운반 기동성 (200,000 cm2/V·s) 및 광대역 흡수 (UV에서 멀리 IR)는 500 GHz를 초과하는 대역폭을 약속합니다. 그러나, 그래 핀의 낮은 흡수 (2.3% 층 당) 한계는 mA/W의 10s에 전달합니다. 플라스마 강화 또는 파guides도 결합하지 않는. 최근 데모는 실리콘 광파와 함께 통합 흑연 그래 핀에 의해 0.5 A/W 반송을 가진 50 GHz 대역폭을 보여줍니다. 그러나, Graphene의 높은 점은, 높은 점도에 대한 높은 점도, 그리고 더 낮은 점도에 대한 높은 점도가 있습니다.

이동 금속 Dichalcogenides (TMDs)

MoS2, WS2 및 기타 TMD는 강력한 조명 매트 상호 작용과 가까운 IR에 직접적인 Bandgaps를 제공합니다. Monolayer TMD photodiodes 전시는 최대 1 A / W 및 낮은 어두운 전류를 책임지고 있지만 대역폭은 느린 캐리어 재조합 (마이크로 초)에 의해 제한됩니다. Heterostructures (예 : graphene-TMD)는 감도가 높고 현재 장치가 InGas 뒤에 충돌합니다.

Avalanche 사진 (APD)

APD는 내부 이득을 달성하는 데 영향을 미치는 영향을 사용합니다. APD의 재료 선택은 중요합니다. 실리콘 APD (visible)은 저와잉 잡음 (k Factor ~0.02)을 가지고 있으며 InGaAs APD (적외선)은 더 높은 소음 (k ~0.3-0.5)에서 고통합니다. Germanium APDs는 과도한 소음으로 인해 사용 된 seldom을 초과합니다. 분리 된 흡수, 등급, 충전 및 다중화 (SAGCM) 구조에서 최근 진행되는 .As는 25dBm의 파장을 통해 .As의 파장을 감소시킵니다.