Warum müssen wir Germanium als Fotodetektor verwenden?

Warum müssen wir Ge als verwenden?Fotodetektor
1. Grundlegende Positionierung: Warum ist es notwendig, Germanium als Fotodetektor zu verwenden?
In optischen Siliziumverbindungen fungieren Fotodetektoren als „Übersetzer“, die optische Signale wieder in elektrische Signale umwandeln. Silizium selbst besitzt jedoch eine Bandlücke von 1,12 eV und ist für die Kommunikationsbänder 1310/1550 nm nahezu transparent, sodass nur Germanium (Ge) als Ersatzmaterial dienen kann.
Germanium (Ge) besitzt eine direkte Bandlücke von 0,8 eV, die das Kommunikations-O/C-Band abdeckt, weist jedoch eine Gitterfehlanpassung von 4,2 % zu Silizium auf. Die Versetzungsdichte beim direkten Wachstum ist mit 4 × 10⁸ cm⁻² sehr hoch, und Dunkelstrom tritt nicht auf. Gleichzeitig besitzt Ge eine indirekte Bandlücke, und sein Absorptionskoeffizient ist naturgemäß um eine Größenordnung niedriger als der von InGaAs, was eine natürliche Schwäche darstellt.
2. Kerndurchbruch: Die Integration von Wellenleitern überwindet den Leistungsengpass
Bei herkömmlichen Photodetektoren mit vertikalem Einfall gilt für die Absorptionslänge das Verhältnis von Absorptionslänge zu Ladungsträger-Sammelweg. Die Empfindlichkeitsbandbreite weist eine schwankende Eigenschaft auf, mit einer Obergrenze von nur 7 GHz.
Aktuell lassen sich die gängigen Geräterouten in drei Kategorien unterteilen:
Vertikale Pinbelegung: Das Verfahren ist das einfachste und gängigste in der Branche und erreicht 40 Gbit/s bei Null-Vorspannung und eine Bandbreite von >60 GHz.
MSM Metall-Halbleiter-Metall: Keine Notwendigkeit für Hochtemperaturdotierung, kann im Backend integriert werden, hat einen hohen Dunkelstrom und eine Bandbreite von über 40 GHz;
Hochwertige Varianten:Wanderwellen-PhotodetektorenFür Mikrowellenphotonenverbindungen werden TWPD- und UTC-Photodetektoren (Twin Line Carrier Photodetektoren) verwendet, um ein Gleichgewicht zwischen hoher Bandbreite und hohem Sättigungsphotostrom herzustellen.
3. Materialien und Verarbeitung: Wie man „Mängel“ in Vorteile verwandelt
Als Reaktion auf Gitterfehlanpassungen und Leistungsmängel hat die Industrie ausgereifte Lösungen entwickelt:
Zweistufiges Epitaxieverfahren: Zuerst wird eine 30-50 nm dicke Pufferschicht bei niedriger Temperatur aufgebracht, anschließend wird die Temperatur erhöht, um die Zieldicke zu erreichen, wodurch die Versetzungsdichte auf ~10 ⁷ cm ⁻ ² reduziert wird;
Strain Engineering: Der Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Ge und Si führt zu einer biaxialen Zugspannung von 0,2 % im Ge-Film, was eine direkte Bandlückenverringerung von 0,8 eV auf 0,77 eV und eine Absorptionskantenverlängerung von 1,55 μm auf 1,61 μm zur Folge hat, wodurch das gesamte C+L-Band abgedeckt wird und sogar der Absorptionskoeffizient im L-Band dem von InGaAs entspricht;
CMOS-Integration: Sie befindet sich noch im Forschungsstadium. Die Frontend-Integration (FEOL) muss hohen Temperaturen über 750 °C standhalten, während die Backend-Integration (BEOL) zwar temperaturunempfindlich ist, aber keine Kristallsubstrate verwendet und noch keine einheitliche, ausgereifte Lösung darstellt. Derzeit verfolgt die Industrie im Allgemeinen einen Mischansatz aus „90 % Single-Chip + externer Integration“.Laser"