Waarom moeten we germanium (Ge) als fotodetector gebruiken?

Waarom moeten we Ge als zodanig gebruiken?fotodetector
1. Basispositionering: Waarom is het nodig om germanium (Ge) als fotodetector te gebruiken?
In optische siliciumverbindingen fungeren fotodetectoren als "vertalers" die optische signalen terug omzetten in elektrische signalen. Silicium zelf heeft echter een bandgap van 1,12 eV en is vrijwel transparant voor de communicatiebanden van 1310/1550 nm, waardoor alleen germanium (Ge) kan worden geïntroduceerd.
Ge heeft een directe bandgap van 0,8 eV, die de communicatie-O/C-band omvat, maar heeft een roosterverschil van 4,2% met silicium. De dislocatiedichtheid bij directe groei is maar liefst 4 × 10⁸ cm⁻², en er is geen sprake van donkerstroom. Tegelijkertijd heeft Ge een indirecte bandgap, waardoor de absorptiecoëfficiënt van nature een orde van grootte lager is dan die van InGaAs, wat een inherent nadeel is.
2. Kerndoorbraak: integratie van golfgeleiders doorbreekt het prestatieknelpunt
De "absorptielengte = draaggolfcollectiepad" van traditionele fotodetectoren met verticale invalshoek vertoont een schommeling in de "responsiviteitsbandbreedte", met een bovengrens van slechts 7 GHz;
Momenteel zijn de gangbare apparaatroutes onderverdeeld in drie categorieën:
Verticale pin: Dit proces is het eenvoudigste en meest gangbare in de industrie, waarmee 40 Gb/s bij nul bias en een bandbreedte van >60 GHz wordt bereikt;
MSM Metal Semiconductor Metal: Geen hoge-temperatuur-dotering nodig, kan in de backend worden geïntegreerd, heeft een hoge lekstroom en een bandbreedte van meer dan 40 GHz;
Hoogwaardige varianten:Fotodetectoren met lopende golven(TWPD) en single line carrier photodetectors (UTC) worden gebruikt voor microgolf-fotonverbindingen, waarbij een balans wordt gevonden tussen een hoge bandbreedte en een hoge verzadigingsfotostroom.
3. Materialen en vakmanschap: 'Defecten' omzetten in voordelen
Als reactie op roosterverschillen en prestatieproblemen heeft de industrie volwaardige oplossingen ontwikkeld:
Tweestaps epitaxiemethode: eerst wordt een bufferlaag van 30-50 nm bij lage temperatuur gegroeid, waarna de temperatuur wordt verhoogd om de gewenste dikte te bereiken, waardoor de dislocatiedichtheid wordt teruggebracht tot ~10⁷ cm⁻²;
Spanningsmanipulatie: Het verschil in thermische uitzettingscoëfficiënten tussen Ge en Si zal een biaxiale trekspanning van 0,2% in de Ge-film veroorzaken, wat resulteert in een directe verlaging van de bandgap van 0,8 eV naar 0,77 eV en een verschuiving van de absorptierand van 1,55 μm naar 1,61 μm, waarmee de gehele C+L-band wordt bestreken, en zelfs de absorptiecoëfficiënt in de L-band kan die van InGaAs evenaren;
CMOS-integratie: Deze bevindt zich nog in de verkennende fase. Front-end integratie (FEOL) moet bestand zijn tegen hoge temperaturen boven de 750 ℃, terwijl back-end integratie (BEOL) weliswaar temperatuurbestendig is, maar geen kristalsubstraten gebruikt en er nog geen uniforme, volwaardige oplossing bestaat. Momenteel hanteert de industrie over het algemeen een gemengde aanpak van "90% single-chip + externe componenten".laser“.