Perché dobbiamo usare il germanio come fotorivelatore?

Perché dobbiamo usare Ge come unfotorivelatore
1. Posizionamento di base: perché è necessario utilizzare il Ge come fotorivelatore?
Nei collegamenti ottici al silicio, i fotorivelatori sono i "traduttori" che riconvertono i segnali ottici in segnali elettrici. Tuttavia, il silicio stesso ha un band gap di 1,12 eV ed è quasi trasparente alle bande di comunicazione 1310/1550 nm, quindi può essere introdotto solo il germanio (Ge).
Il germanio (Ge) ha un band gap diretto di 0,8 eV, che copre la banda O/C delle comunicazioni, ma presenta un disadattamento reticolare del 4,2% con il silicio. La densità di dislocazioni per la crescita diretta è elevata, pari a 4 × 10⁸ cm⁻², e la corrente di buio è completamente assente; allo stesso tempo, il germanio ha un band gap indiretto e il suo coefficiente di assorbimento è naturalmente di un ordine di grandezza inferiore a quello dell'InGaAs, il che rappresenta un punto debole intrinseco.
2. Svolta fondamentale: l'integrazione della guida d'onda elimina il collo di bottiglia delle prestazioni
La "lunghezza di assorbimento = percorso di raccolta dei portatori" dei fotorivelatori a incidenza verticale tradizionali presenta un andamento oscillatorio della "larghezza di banda di responsività", con un limite superiore di soli 7 GHz;
Attualmente, i percorsi dei dispositivi principali si dividono in tre categorie:
Pin verticale: il processo è il più semplice e diffuso nel settore, raggiungendo 40 Gb/s a polarizzazione zero e una larghezza di banda >60 GHz;
MSM Metallo Semiconduttore Metallo: Non necessita di drogaggio ad alta temperatura, può essere integrato nel backend, ha un'elevata corrente di buio e una larghezza di banda di oltre 40 GHz;
Varianti di fascia alta:Fotorivelatori a onda progressivaI fotorivelatori a onda progressiva (TWPD) e i fotorivelatori a linea singola (UTC) vengono utilizzati per i collegamenti fotonici a microonde, bilanciando un'elevata larghezza di banda e un'elevata fotocorrente di saturazione.
3. Materiali e maestria artigianale: trasformare i "difetti" in vantaggi
In risposta al disallineamento reticolare e alle carenze prestazionali, l'industria ha sviluppato soluzioni consolidate:
Metodo di epitassia a due fasi: in primo luogo, viene fatto crescere uno strato tampone a bassa temperatura di 30-50 nm, quindi la temperatura viene aumentata per raggiungere lo spessore desiderato, riducendo la densità di dislocazioni a ~10 ⁷ cm ⁻ ²;
Ingegneria delle deformazioni: la differenza nei coefficienti di dilatazione termica tra Ge e Si causerà una deformazione di trazione biassiale dello 0,2% nel film di Ge, con conseguente riduzione diretta del band gap da 0,8 eV a 0,77 eV e un'estensione del bordo di assorbimento da 1,55 μm a 1,61 μm, coprendo l'intera banda C+L, e persino il coefficiente di assorbimento nella banda L può corrispondere a quello di InGaAs;
Integrazione CMOS: è ancora in fase esplorativa. L'integrazione front-end (FEOL) deve resistere ad alte temperature superiori a 750 ℃, mentre l'integrazione back-end (BEOL) è compatibile con le alte temperature ma non dispone di substrati cristallini e non ha ancora formato una soluzione matura unificata. Attualmente, l'industria adotta generalmente un percorso misto di "90% single-chip+esternolaser“