Достижения в области технологий фотодиодных материалов для оптических приемников следующего поколения

Введение в технологии фотодиодов

Фотодиоды являются фундаментальными строительными блоками в современных системах оптической связи, задача которых заключается в преобразовании входящих световых сигналов в электрические токи, которые могут обрабатываться электроникой. Поскольку глобальный трафик данных продолжает взрываться - управляемый потоковым видео, облачными вычислениями, IoT и новыми сетями 5G / 6G - давление на оптические приемники для обработки более высоких скоростей передачи данных, более низкого энергопотребления и большей чувствительности никогда не было большим. Традиционные кремниевые фотодиоды на протяжении десятилетий служили замечательно хорошо, предлагая низкую стоимость и отличную надежность для приложений с коротким охватом. Однако их пропускная способность (1,12 эВ) ограничивает работу до длин волн ниже примерно 1,1 мкм, что делает их непригодными для длинномагистральных волоконно-оптических окон на 1,3 мкм и 1,55 мкм, где затухание волокна минимально.

Ограничения кремния стимулировали интенсивные исследования альтернативных полупроводниковых материалов и новых архитектур устройств. В этой статье рассматриваются наиболее перспективные достижения в технологиях фотодиодных материалов - от хорошо зарекомендовавших себя сложных полупроводников, таких как арсенид индия галлия (InGaAs) до новых двумерных (2D) материалов, таких как графен - и рассматривается, как эти инновации формируют следующее поколение оптических приемников. Мы также обсуждаем критические параметры производительности, проблемы интеграции и путь вперед для коммерческого развертывания.

Фундаментальные показатели эффективности фотодиода

Прежде чем погрузиться в конкретные материалы, важно понять ключевые показатели производительности, которые определяют дизайн фотодиода для высокоскоростной оптической связи:

Ответственность (R): Отношение фототока к падающей оптической мощности, обычно выраженное в A/W. Более высокая отзывчивость означает больше сигнала для данного уровня освещенности.
Квантовая эффективность (QE): Доля падающих фотонов, генерирующих пары электрон-дырка.Внутреннее QE учитывает эффективность поглощения и сбора несущей; внешнее QE включает в себя потери отражения и связи.
Ширина (BW): Частотный диапазон, на который может реагировать фотодиод. Для скорости передачи данных 100 Гбит/с и выше часто требуются полосы пропускания, превышающие 50 ГГц.
Темный ток: Ток, который течет в отсутствие света. Низкий темный ток снижает шум и улучшает чувствительность, особенно для приложений с низкими сигналами.
Шум эквивалентной мощности (NEP): Минимальная обнаруживаемая оптическая мощность для отношения сигнал-шум 1. Нижний NEP имеет решающее значение для междугородних линий связи.
Время отклика: определяется временем транзита перевозчика и постоянной RC времени. Для сверхбыстрой работы оба должны быть сведены к минимуму.

Каждая материальная технология предлагает компромиссы между этими параметрами, и оптимальный выбор зависит от конкретного применения - будь то межсетевое соединение с центром обработки данных с коротким охватом, сеть метро или подводный трансатлантический кабель.

Традиционные материалы: кремний и германий

Кремниевые фотодиоды

Кремний остается рабочей лошадкой для обнаружения видимых и ближнего инфракрасного диапазона (NIR) до ~ 1,1 мкм. Его зрелая производственная инфраструктура, низкая стоимость и совместимость с CMOS-электроникой делают его идеальным для интегрированных фотонных приемников в центрах обработки данных. Однако, поскольку скорости связи превышают 400 Гбит/с, ограниченная пропускная способность кремния (обычно < 20 ГГц для обычных PIN-структур) и плохая чувствительность на более длинных волнах становятся ограничительными. Инновации, такие как кремниевые лавинообразные фотодиоды (APD), имеют расширенный охват, но кремний все еще не может адресовать окна 1,3/1,55 мкм.

Германий-на-Силиконе (Ge-on-Si)

Germanium с его прямым пропуском 0,80 эВ при комнатной температуре сильно поглощается в ближнем инфракрасном диапазоне до ~ 1,6 мкм. Это делает его отличным кандидатом для интеграции с кремниевыми фотодиодами. Фотодиоды Ge-on-Si используют высокий коэффициент поглощения Ge, извлекая выгоду из качества подложки кремния и обработки в масштабе пластин. Недавние демонстрации достигли пропускной способности, превышающей 100 ГГц и отзывчивость выше 1 А/Вт при 1550 нм. Однако постоянной проблемой является несоответствие решетки (4,2%) между Ge и Si, что может привести к дислокации резьбы, которые увеличивают темный ток. Расширенные слои буфера и методы отжига (например, циклическое тепловое отжиг) значительно уменьшают плотность дефектов, что делает фотодиоды Ge-on-Si коммерчески жизнеспособными. Они теперь используются во многих модулях приемников Ge-on-Si. Такие компании, как Intel и IBM, показали, что Ge-on-Si может быть интегрирован с кремниевыми модуляторами и волноводами, прокладывая путь

Составные полупроводники для высокопроизводительных приемников

Арсенид индия галлия (InGaAs)

InGaAs, как правило, выращивается решетчатой сопоставленной на InP подложках (In_]0.53Ga_0.47As), стал материалом выбора для фотодиодов, работающих в диапазоне 1,3-1,6 мкм. Его высокая подвижность электронов и сильный коэффициент поглощения обеспечивают как высокую отзывчивость, так и быстрое время отклика. InGaAs PIN-фотодиоды обычно достигают полосы пропускания выше 50 ГГц, в то время как лавинные фотодиоды (APD) варианты — с использованием либо InGaAs слоев поглощения и InP слоев умножения — обеспечивают отличную чувствительность для дальнемагистральных и подводных линий. Например, InGaAs/InP APD может достигать продуктов пропускной способности усиления, превышающих 200 ГГц, что позволяет 100 Гбит/с на канал с чувствительностью приемника ниже -20 дБм.

Последние достижения включают в себя разработку модифицированных однопутных несущих (MUTC) структур, которые разделяют области поглощения и дрейфа, резко улучшая пропускную способность до более чем 100 ГГц. Другая захватывающая область - использование InGaA в качестве фотодиодов с волноводной связью , которые отделяют длину поглощения от времени транзита носителя, дополнительно увеличивая скорость при сохранении высокой квантовой эффективности. Внешние ссылки для дальнейшего чтения на InGaAs технологии включают Laser Focus World учебник по PIN против APD и IEEE документ на MUTC фотодиоды .

Фосфид индия (InP) - основанные на лавинах фотодиоды

APD на основе InP особенно важны для приложений с длительным охватом. Слой умножения использует благоприятные свойства ионизации воздействия InP, в то время как слой поглощения - InGaAs. Недавний прогресс в структурах сепаративного поглощения, классификации, заряда и умножения (SAGCM) привел к устройствам с чрезвычайно низким избыточным шумом и продуктами с высокой пропускной способностью усиления. Например, 1,55 мкм InGaAs / InP APD может достичь продукта пропускной способности усиления 350 ГГц и полосы пропускания 30 ГГц при более высоких коэффициентах усиления, что делает их пригодными для 400G и за пределами когерентных приемников.

Новинки 2D и слоистые материалы

Помимо традиционных полупроводников III-V и группы IV появился новый класс материалов: двумерные (2D) материалы, такие как графен, дихалькогениды переходных металлов (TMD, например, MoS₂, WS₂, WSe₂) и черный фосфор. Эти атомарно тонкие материалы обладают уникальными свойствами, которые могут революционизировать фотообнаружение.

Графеновые фотоприемники

Графен обладает чрезвычайно высокой несущей мобильностью (до 200 000 см2/В·с) и широкополосным поглощением от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного диапазона. Графеновые фотодетекторы могут достигать очень высокой полосы пропускания, при этом демонстрации превышают 500 ГГц для сверхбыстрого обнаружения. Однако, низкое оптическое поглощение графена на слой (~ 2,3%) является основным недостатком; исследователи смягчают это, комбинируя графен с плазмонными наноструктурами, оптическими полости или волноводами для усиления взаимодействия света и материи. Еще одной проблемой является отсутствие пропуска, что приводит к высокому темному току и низкому фотоприбылью в простых фотопроводящих режимах. Решения включают создание гетероструктур на основе графена (например, графен / BN / металлические соединения) или использование графена в качестве прозрачного электрода в гибридных устройствах с другими поглотителями.

Переходные металлические дихалкогениды (TMD)

TMD, такие как MoS₂ и WSe₂, имеют прямые полосы пропускания в ближнем инфракрасном диапазоне, сильные экситонные эффекты и высокие коэффициенты поглощения, несмотря на атомную толщину (~5% на монослой). Они исследуются для гибких, прозрачных и высокоэффективных фотоприемников. Однако их низкая подвижность несущей по сравнению с графеном ограничивает полосу пропускания. Недавний прогресс включает вертикальные гетероструктуры TMD с графеном или материалами III-V для сочетания высокой подвижности с сильным поглощением. Примечательным примером является MoS₂/фотографический гетеропереходный фотодиод, который достигает отзывчивости выше 105 A/W и продуктов с полосой усиления, подходящих для однофотонного обнаружения.

Черный фосфор (BP)

Черный фосфор соединяет разрыв между графеном и TMDs, предлагая настраиваемый прямой бандгап (0,3-2,0 эВ в зависимости от толщины) и высокую подвижность дыр. фотодетекторы BP очень чувствительны в инфракрасном диапазоне, с отзывчивостью, сопоставимой с InGaAs. Однако BP быстро деградирует в условиях окружающей среды, требуя инкапсуляции (например, с гексагональным нитридом бора). Исследования продолжают разрабатывать стабильные масштабируемые фотодиоды на основе BP для интегрированной фотоники.

Для полного обзора 2D-материалов фотоприемников см. эту статью Обзор нанотехнологий природы .

Новые материалы: перовскиты и коллоидные квантовые точки

В дополнение к 2D-материалам исследуются металлические галогенидные перовскиты (например, CH₃NH₃PbI_{3_{, коллоидные квантовые точки (CQD, например, PbS) для фотодиодов следующего поколения.Перовскиты предлагают высокие коэффициенты поглощения, настраиваемые бандгапы и низкозатратную обработку решений. Последние перовскитные фотодиоды достигли отзывчивости выше 0,4 A/W и детектируемости, приближающиеся к 1013 Джонсу, но их долгосрочная стабильность и содержание свинца остаются проблемами. Коллоидные квантовые точки позволяют настраивать полосы пропускания с помощью эффектов квантового размера, позволяя абсорбцию из видимого в коротковолновый инфракрасный диапазон. CQD фотодиоды продемонстрировали чувствительность в стеках устройств без соответствия решёткам, что привлекательно для гиперспектральных изображений и недорогих}}

Гибридные и гетерогенные интеграционные подходы

Одним из наиболее перспективных направлений является гетерогенная интеграция различных материальных систем на общей платформе кремниевой фотоники. Этот подход направлен на объединение лучшего из каждого материала: зрелой технологии волновода кремния, высокоскоростного обнаружения InGaAs на 1,55 мкм и совместимости германия.

Связывание с пластиной Wafer: склеивание матрицы InP на кремниевую пластину с оксидными слоями склеивания, затем обработка фотодиодов, выровненных с кремниевыми волноводами.Это широко используется в коммерческих продуктах (например, от Lumentum и Intel).
Эпитаксиальный рост на Si: выращивание III-V слоев непосредственно на кремнии с использованием буферных слоев (например, в UCSB и MIT разрабатываются квантовые точечные лазеры и фотодиоды).
Микротрансферная печать: метод масс-трансфера, который помещает сборные III-V гибнет на кремниевые фотонные схемы с высокой точностью. Это набирает тягу для масштабируемой интеграции лазеров и фотодиодов.

Эти схемы интеграции позволяют использовать высокопроизводительные оптические приемники, которые по-прежнему совместимы с производством CMOS большого объема. Примером является стандарт 100G Lambda MSA, который использует фотодиоды Ge-on-Si или InGaAs с кремниевыми волноводами для достижения 100 Гбит/с на полосу.

Проблемы в области материаловедения и приборостроения

Несмотря на впечатляющий прогресс, перед тем, как фотодиоды следующего поколения станут основными, остаются несколько значительных проблем:

Качество материалов и плотность дефектов: Многие новые материалы (Ge-on-Si, III-V-on-Si, 2D материалы) страдают от высоких концентраций дефектов, которые увеличивают темный ток и снижают надежность. Передовые методы роста (например, улавливание соотношения сторон для Ge, разработка буфера для III-V) помогают, но добавляют стоимость.
Тепловое управление: В мощных или высокодоходных приложениях диссипация тепла становится критической. InGaAs/InP APD могут страдать от теплового бегства, если не разработаны должным образом.
Упаковка и соединение : Эффективная связь света от оптического волокна до фотодиода микрометрового масштаба нетривиальна. Преобразователи пятнистого размера и решетки являются стандартными, но добавляют сложность.
Расходы и масштабируемость: Хотя InGaAs on InP является зрелой технологией, она остается дороже, чем кремниевая фотоника. Графен и 2D-материалы по-прежнему в значительной степени находятся на стадии исследований, с производством в масштабе пластин в зачаточном состоянии.
Надежность и экологическая устойчивость: Перовскиты и чёрный фосфор деградируют под влагой и теплом.Даже фотодиоды InGaA требуют герметичной упаковки для длительной эксплуатации.

Будущие направления и перспективы

Заглядывая вперед, можно отметить, что есть несколько разработок, которые ускоряют внедрение передовых фотодиодных материалов:

Когерентное обнаружение: Когерентные оптические приемники следующего поколения требуют фотодиодов с чрезвычайно низким уровнем шума и высокой линейностью. Сбалансированные фотодетекторы на основе InGaAs или Ge-on-Si оптимизированы для высокоскоростных когерентных систем.
Фотография с поддержкой AI/ML: Оптические соединения в высокопроизводительных вычислениях и кластерах ИИ требуют сверхвысокой плотности полосы пропускания. Новые фотодиодные материалы, которые могут обрабатывать >200 Гбит/с на канал с низкой мощностью, разрабатываются такими группами, как NIST Next-Generation Optical Communications program.
Интегрированная квантовая фотоника: Однофотонные детекторы на основе сверхпроводящих нанопроводов или лавинообразных фотодиодов (например, с использованием InGaAs/InP для телекоммуникационных длин волн) имеют решающее значение для квантового распределения ключей и квантовых вычислений. Улучшения материалов направлены на снижение скорости тёмного счёта и джиттера времени.
Полностью интегрированные оптические приемники на кремниевой фотонике: Конечная цель — монолитный приемник, который включает волновод, фотодиод и усилитель трансимпеданса (TIA) на одном чипе. В то время как фотодиоды Ge-on-Si могут быть интегрированы с кремниевыми TIA, материалы III-V в настоящее время требуют гибридных подходов. Исследования прямого роста III-V на кремнии (например, с использованием квантовых точек) могут устранить необходимость склеивания.

Согласно недавнему докладу Cognitive Market Research, ожидается, что глобальный рынок фотодиодов достигнет $5,2 млрд к 2030 году. Новые материалы будут играть ключевую роль в удовлетворении требований к производительности оптических приемников следующего поколения, которые лежат в основе этого роста.

Таким образом, достижения в области фотодиодных материалов - от зрелых InGaAs / InP и Ge-on-Si до передовых 2D-материалов, перовскитов и квантовых точек - открывают новые уровни скорости, чувствительности и интеграции. В то время как проблемы в качестве материала, стабильности и технологичности остаются, темпы инноваций ускоряются. Будущее оптической связи будет зависеть от разнообразного портфеля технологий фотодиодов, каждая из которых оптимизирована для своего конкретного применения, коллективно позволяя тяготеть к пропускной способности в мире завтрашнего дня.