Почему нам необходимо использовать германий в качестве фотодетектора?

Почему мы должны использовать Ge в качествефотодетектор
1. Основное позиционирование: Зачем нужно использовать германий в качестве фотодетектора?
В кремниевых оптических линиях связи фотодетекторы выступают в роли «преобразователей», которые преобразуют оптические сигналы обратно в электрические. Однако сам кремний имеет ширину запрещенной зоны 1,12 эВ и практически прозрачен для диапазонов связи 1310/1550 нм, поэтому в него можно вводить только германий (Ge).
Ge имеет прямую запрещенную зону шириной 0,8 эВ, которая покрывает полосу O/C связи, но имеет несоответствие кристаллической решетки с кремнием на 4,2%. Плотность дислокаций при прямом росте достигает 4 × 10⁸ см⁻², а темновой ток полностью отсутствует; в то же время Ge имеет непрямую запрещенную зону, и его коэффициент поглощения, естественно, на порядок ниже, чем у InGaAs, что является естественным недостатком.
2. Ключевой прорыв: интеграция волноводов устраняет узкое место в производительности.
В традиционных фотодетекторах с вертикальным падением света «длина поглощения = путь сбора носителей заряда» характеризуется колебаниями «полосы пропускания», верхний предел которой составляет всего 7 ГГц;
В настоящее время основные пути распространения устройств делятся на три категории:
Вертикальный вывод: Этот процесс является самым простым и распространенным в отрасли, обеспечивая скорость 40 Гбит/с при нулевом смещении и полосу пропускания >60 ГГц;
Металло-полупроводниковый металл MSM: не требует высокотемпературного легирования, может быть интегрирован в бэкэнд, обладает высоким током утечки и полосой пропускания более 40 ГГц;
Варианты премиум-класса:Фотодетекторы бегущей волныФотодетекторы с однолинейной несущей (TWPD) и однолинейные фотодетекторы (UTC) используются для микроволновых фотонных каналов связи, обеспечивая баланс между высокой пропускной способностью и высоким током насыщения.
3. Материалы и мастерство: превращение «дефектов» в преимущества
В ответ на несоответствие кристаллической решетки и недостатки в производительности, отрасль разработала зрелые решения:
Двухэтапный метод эпитаксии: сначала выращивается низкотемпературный буферный слой толщиной 30-50 нм, а затем температура повышается до достижения целевой толщины, что снижает плотность дислокаций до ~10⁷ см⁻²;
Инженерное моделирование деформации: разница в коэффициентах теплового расширения между Ge и Si вызовет двухосное растяжение пленки Ge на 0,2%, что приведет к уменьшению ширины запрещенной зоны с 0,8 эВ до 0,77 эВ и расширению края поглощения с 1,55 мкм до 1,61 мкм, охватывая всю полосу C+L, и даже коэффициент поглощения в полосе L может совпадать с коэффициентом поглощения InGaAs;
Интеграция CMOS-технологий: она все еще находится на стадии исследования. Интеграция на этапе фронтальной части (FEOL) должна выдерживать высокие температуры выше 750 ℃, в то время как интеграция на этапе тыловой части (BEOL) является термоустойчивой, но не требует использования кристаллических подложек и еще не сформировала единого зрелого решения. В настоящее время в отрасли, как правило, используется смешанный подход: «90% — однокристальная технология + внешняя интеграция».лазер«.