Fotodiode Teknolojilerine Giriş

Fotodiodes, modern optik iletişim sistemlerinde temel bina bloklarıdır, gelen ışık sinyalleri elektronik olarak işlenebilir hale getirmekle görevlendirilmiştir. Küresel veriler trafik patlamaya devam ediyor - video, bulut bilişim, IoT ve ortaya 5G/6G ağları - daha yüksek veri oranları ile ilgili baskı, daha düşük güç tüketimi ve daha yüksek hassasiyetleri işlemek için, uzun süre boyunca düşük maliyetli ve kısa erişim uygulamaları için mükemmel bir güvenilirlik sunmaya devam ediyor.

Silikonun kısıtlamaları alternatif yarı iletken malzemeler ve yeni cihaz mimarilerine yoğunlaşmıştır. Bu makale, fotodiode malzeme teknolojilerindeki en umut verici ilerlemeleri araştırıyor - iyi kurulmuş yarı iletken yarı iletkenler gibi ticari dağıtım için yol.

Temel Fotodiode Performans Metrikleri

Özel malzemelere dalış yapmadan önce, fotodiode tasarımını yüksek hızlı optik iletişim için kullanan anahtar performans ölçümleri anlamak önemlidir:

  • [FONT:0)Responsivity (R))[Dönetici: Optik güç olay için fotoşu anki oranı, genellikle A/W. Yüksek sorumluluğunda verilen bir ışık seviyesi için daha fazla sinyal anlamına gelir.
  • [FONT=0)Quantum Verimliliği (QE))[Dönetici: Elektro- delik çiftlerini üreten olay fotolarının kesikleri. İç QE, absorpsiyon ve taşıyıcı verimliliğini göz önünde bulundurmaktadır; dış QE yansıma ve darbe kayıpları içerir.
  • [BWT:0)Band genişlik (BW))[Dönetici yanıt verebilir. 100 Gb /s ve ötesinde, bant genişliği 50 GHz'nin üzerindeki veriler için sık gereklidir.
  • [FONT:0]Dark Current[[Dönem: 1)[Dönetici: Düşük karanlık akım gürültüyü azaltır ve özellikle düşük imza uygulamaları için hassaslığı artırır.
  • [FONT:0) Eşdeğer Güç (NEP))[değiştir | kaynağı değiştirilemez optik güç 1. Alt NEP'in sinyal-to-noise oranı uzun mesafe bağlantıları için kritiktir.
  • [FONT:0)Response Time[[Dönetici: 1): Taşıyıcı geçiş süresi ve RC zaman sabit olarak belirlenmelidir.In ultrafast operation, both must be minimized.

Her malzeme teknolojisi bu parametreler arasında ticaret yapan ve en uygun seçim belirli uygulamaya bağlıdır - kısa erişimli bir veri merkezi bağlantı, bir metro ağı veya bir denizaltı transatlantik kablo.

Geleneksel Malzemeler: Silikon ve Almanium

Silikon Fotodiodes

Silikon görünür ve yakın-frared (NIR) tespit için işhorları kalır - 1.1 μm. Olgun üretim altyapısı, düşük maliyet ve CMOS elektronikleriyle uyumluluk, entegre fotonik alıcılar için ideal hale getirir (Ds) ancak bağlantı hızları ilerledikçe, silikonun sınırlı bant genişliğine (tipik olarak < 20 GHz için 20 GHz yapıları için) ve daha uzun dalgalarda optimizasyonlar kısıtlayıcı hale gelir.

Almanium-on-Silicon (Ge-on-Si)

Almanium, oda sıcaklığında 0.80 eV'nin doğrudan bandıyla, yakın modülde güçlü bir şekilde absorbe eder - 1.6 μm. Bu, silikon fotonik platformları ile entegrasyon için mükemmel bir aday yapar. Ge-on-Sigara-Sigara-Sigara-Simpozyumları, silikonun substratı kalitesinden ve yüksek çözünürlükte 100 taneleri ortaya çıkarabilir.

Yüksek hacimli Kabul Alıcılar için bileşik yarı iletkenler

Indium Gallium Arsenide (InGaAs)

GaAs, genellikle InP substratlarında (In) 5,5[D) μm aralığında çalışan fotodiyomlar için en yüksek çözünürlükte 100-Seks-Seks-Spekt x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Son gelişmeler, alginç ve sürüklenme bölgelerinin gelişimini içerir:0)Köpektif olmayan (MUTC)), yüksek kuantum verimliliğini korumak için aşırı hız sağlar. başka bir heyecan verici alan, affAs teknolojisi üzerinde okumak için [[GaAsyalı fotoğraflama [FONT=D)[değiştir | kaynağı değiştir]

Indium Phosphide (InP)-Based Avalanche Photodiodes

InP-based APDs özellikle uzun erişim uygulamaları için kritiktir. Multiplication katmanı InP'nin olumlu etkisi iyonizasyon özellikleri, absorpsiyon tabakası InGaAs. Recent Progress in 03:0Conseparate absorpsiyon, grad, şarj ve multiplikasyon (SAGCM)) yapılar, yüksek fazla gürültü ve yüksek kazanç sağlayan cihazlara yol açtı. Örneğin, 1.55 μm InGaAs/InP APD, 350 GHz'nin bir araya gelmesi ve 30'un daha yüksek kazançları elde edebilir, alıcılar için 400'nin üzerinde uygun bir bant genişliğine sahiptir.

Roman 2D ve Katmanlı Malzemeler

Geleneksel III-V ve grup-IV yarı iletkenleri, yeni bir malzeme sınıfı ortaya çıktı: Grafik olarak (2D) malzemeler, Metal dichalcogenides (TMDs, e.g., MoS), WSe)[FLT[FLT: 5) ve siyah fosforlar.

Graphene Photodetectors

Grafene aşırı yüksek taşıyıcı hareketliliğine sahiptir (200 cm2/V·s) ve geniş bant absülmesi, optik komplikeler ile grafiksel olmayan bir optik komplikelişimle birleştirerek, diğer bir meydan okuma için 500 GHz'den fazla performans gösteren bir bant genişliğine yol açar.

Transition Metal Dichalcogenides (TMDs)

MoS)2[Dönetici:0) ve WSe)[Döneticileri ile karşılaştırıldığında düşük taşıma taşıyıcıları vardır.

Black Phosphorus (BP)

Siyah fosfor, grafikene ve TMD arasındaki boşlukları köprüler, hızla çevre koşullarındaki bir kapsülü (maksimumagonal boron nitride) ve yüksek delikli hareketliliğine bağlı olarak, BP fotosenleri ile birlikte, entegre fotonikler için kıyasla oldukça hassastır.

2D malzeme fotodetektörlerin kapsamlı bir bakışı için, buETHFLT:0)Doğa Nanoteknoloji inceleme makalesi[DDD 1: 1).

Gelişen Malzemeler: Perovskites ve Colloidal Kuantum Dots

2D limitli malzemelere ek olarak, metal halide perovskites (e.g., CH)[Dışkanlıklı projeksiyonlar için incelenirler.[Döneticiler için yüksek çözünürlükler için).In Perovskites yüksek katlar sunar[D][D D D D D D D D D D D D D D D D x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x

Hibrit ve Heterojen Bütünleştirme Yaklaşımları

En umut verici trendlerden biri, 1.55 μm'de farklı malzeme sistemlerinin heterojen entegrasyonudur ve Germanyium'un uyumluluklarını bir araya getirmeyi amaçlamaktadır.

  • [FONT:0]Wafer Bağ[[[DÜT 1: 1): Bir InP'yi oksit bağlantı tabakalarıyla silikonun içine sokun, sonra fotodiodes'u silikon dalga kılavuzlarına uygun şekilde işlemeyin. Bu, ticari ürünlerde yaygın olarak kullanılır (örneğin Lumentum ve Intel’den).
  • [FONT:0]Serbestik büyüme Si[Döntgen: 1) 3 boyutlu olarak, 3 boyutlu tabakaları doğrudan silikonda (örneğin, kuantum lazerler ve fotodiodes UCSB ve MIT'de geliştirilmektedir.
  • [FONT:0) Mikro-transfer baskı [[Dönetici: 1 ): Orta devrelerde önleyen bir kütle transferi tekniği, yüksek hassasiyetle silikon fotonik devreleri üzerinde ölür.Bu, lazerlerin ve fotodiodesların ölçeklenebilir entegrasyonu için yol kat eder.

Bu entegrasyon programları, yüksek hacimli CMOS üretimi ile hala uyumlu olan yüksek performanslı optik alıcılara olanak sağlar. Örnek olarak, Ge-on-Si veya InGaAs fotodiodes kullanan 100 Gb /s per way.

Malzeme ve Cihaz Mühendisliğindeki Zorluklar

etkileyici ilerlemeye rağmen, önümüzdeki nesil fotodiode materyallerin daha önce birçok önemli zorluk daha belirgin hale gelir:

  1. [[Malzeme kalitesi ve kusur yoğunluğu[Dönetici: 3D) Birçok gelişmekte olan malzeme (Ge-on-Si, III-V-on-Si, 2D materyaller) karanlık akım ve güvenilirlik artırmak için yüksek hata konsantrasyonlarından muzdariptir. Gelişmiş büyüme teknikleri (örneğin, Ge için yön oranı oranı)
  2. [FONT:0] ⁇ yönetimi[[DÜT:1): Yüksek güç veya yüksek geri giriş uygulamaları, ısı dağılımı kritik hale gelir.InGaAs/InP APDs uygun şekilde tasarlanmamışsa termal runaway'den acı çekebilir.
  3. [FONT:0)Köpektif ve darbe[[Dönetici: Bir optik fiberden mikrometre büyüklüğünden mikrometreye kadar verimli bir şekilde darbe ışığı standart değildir. Spot-size dönüştürücüler ve boks çiftleri standarttır, ancak karmaşıktır.
  4. [FONT:0]Cost ve ölçeklenebilirlik): InGaAs on InP olgun bir teknoloji olsa da, silikon fotoniklerden daha pahalı kalır. Graphene ve 2D malzemeler hala araştırma aşamasında, bebeklik dönemindeki yüksek ölçekli üretimde düşüşe devam etmektedir.
  5. [FONT:0]Reliability and environment stability[Dönetici: Perovskites ve siyah phosphorus degrad under ne ve ısı altında.GaAs fotodiodes bile uzun süreli operasyon için hismetik ambalaj gerektirir.

Future Yol ve Outlook

İleriye bakıldığında, gelişmiş fotodiode materyallerin benimsenmesini hızlandırmaya yönelik birkaç gelişme ortaya çıkıyor:

  • [FONT:0]Coherent algılama[[[Dönetici:0)[Döneticileri, son derece düşük gürültü ve yüksek doğrusallık ile fotod fotodetektörleri ölçtü.InGaAs veya Ge-on-Si yüksek seviyeli koherent sistemler için optimize edilmiştir.
  • [FONT=0]Fotoğraflar- özellikli AI/ML[Dönetici: Optik optik bağlantı yüksek performanslı hesaplama ve AI kümeleri ultra yüksek bant genişliği talep ediyor. >200 Gb / düşük güçle kanal başına çalışan yeni fotodiode malzemeler, yüksek performanslı bir sonraki optik bağlantı programına göre gruplar tarafından geliştiriliyor:.
  • [FONT:0)Integrated kuantum fotonikler[[Döneticiler: Tek foton dedektörleri veya avalanche fotodiodes (e.g., using InGaAs/InP for telecom Waves) kuantum anahtar dağıtım ve kuantum hesaplamaları için kritiktir.
  • [FONT:0) Tek bir çip üzerinde tam entegre optik alıcılar (TIA) ile entegre edilebilir.Döneticiler şu anda silikon kılavuzu, fotodiode ve transimpedans yükselteçleri içeren monolithic alıcıdır.

Fotodiodes için ticari pazar, 2030 yılına kadar veri merkezi genişleme ve 5G/6G altyapısı tarafından yönlendirilen %10 CAGR'de büyümeye devam etmek için tasarlanmıştır.Bu büyümenin altındaki optik alıcılara göre.

Özet olarak, fotodiode malzemelerdeki gelişmeler - maddi kalitede olgunlaşıcı ve üretilebilirlik nedeniyle optik iletişimin hızını azaltmak, perovskites ve kuantum noktalarına güvenmek - özel uygulama için optimize edilmiş, kolektif olarak yeni hız, hassasiyet ve entegrasyon dünya zorluklarını ortaya koyarken, maddi kalitede, istikrar ve manufacturability kalır, inovasyonun hızı hızlanır.