Mengapa kita harus menggunakan Ge sebagai fotodetektor?

Mengapa kita harus menggunakan Ge sebagaifotodetektor
1. Penentuan posisi dasar: Mengapa perlu menggunakan Ge sebagai fotodetektor?
Pada tautan optik silikon, fotodetektor berperan sebagai "penerjemah" yang mengubah sinyal optik kembali menjadi sinyal listrik. Namun, silikon sendiri memiliki celah pita energi sebesar 1,12 eV dan hampir transparan terhadap pita komunikasi 1310/1550 nm, sehingga hanya germanium (Ge) yang dapat digunakan.
Ge memiliki celah pita langsung sebesar 0,8 eV, yang mencakup pita O/C komunikasi, tetapi memiliki ketidaksesuaian kisi sebesar 4,2% dengan silikon. Kepadatan dislokasi untuk pertumbuhan langsung setinggi 4 × 10⁸ cm⁻², dan arus gelap sama sekali tidak tersedia; Pada saat yang sama, Ge memiliki celah pita tidak langsung, dan koefisien absorpsinya secara alami satu tingkat lebih rendah daripada InGaAs, yang merupakan kelemahan alami.
2. Terobosan inti: integrasi pandu gelombang mengatasi hambatan kinerja.
“Panjang penyerapan = jalur pengumpulan pembawa” dari fotodetektor insiden vertikal tradisional memiliki “bandwidth responsivitas” yang naik turun, dengan batas atas hanya 7GHz;
Saat ini, jalur perangkat utama terbagi menjadi tiga kategori:
Pin vertikal: Proses ini adalah yang paling sederhana dan umum di industri, mencapai 40Gb/s @ zero bias dan bandwidth >60GHz;
MSM (Metal Semiconductor Metal): Tidak memerlukan doping suhu tinggi, dapat diintegrasikan di bagian belakang (backend), memiliki arus gelap yang tinggi, dan bandwidth lebih dari 40GHz;
Varian kelas atas:Fotodetektor gelombang berjalan(TWPD) dan fotodetektor pembawa garis tunggal (UTC) digunakan untuk tautan foton gelombang mikro, menyeimbangkan bandwidth tinggi dan arus foto saturasi tinggi.
3. Material dan Keahlian: Mengubah 'Kekurangan' Menjadi Keunggulan
Sebagai respons terhadap ketidaksesuaian kisi dan kekurangan kinerja, industri telah mengembangkan solusi yang matang:
Metode epitaksi dua tahap: pertama, lapisan penyangga suhu rendah setebal 30-50 nm ditumbuhkan, kemudian suhu dinaikkan hingga mencapai ketebalan target, mengurangi kepadatan dislokasi menjadi ~10⁷ cm⁻²;
Rekayasa regangan: Perbedaan koefisien ekspansi termal antara Ge dan Si akan menyebabkan regangan tarik biaxial 0,2% pada film Ge, menghasilkan pengurangan celah pita langsung dari 0,8 eV menjadi 0,77 eV dan perluasan tepi serapan dari 1,55 μm menjadi 1,61 μm, mencakup seluruh pita C+L, dan bahkan koefisien serapan pada pita L dapat sesuai dengan InGaAs;
Integrasi CMOS: Masih dalam tahap eksplorasi. Integrasi front-end (FEOL) perlu tahan terhadap suhu tinggi di atas 750 ℃, sedangkan integrasi back-end (BEOL) ramah suhu tetapi tanpa substrat kristal, dan belum membentuk solusi matang yang terpadu. Saat ini, industri umumnya mengadopsi jalur campuran "90% chip tunggal + eksternal".laser“.