Por que precisamos usar germânio como fotodetector?

Por que precisamos usar Ge como umfotodetector
1. Posicionamento básico: Por que é necessário usar germânio como fotodetector?
Em enlaces ópticos de silício, os fotodetectores são os "tradutores" que convertem os sinais ópticos de volta em sinais elétricos. No entanto, o próprio silício possui uma banda proibida de 1,12 eV e é quase transparente às bandas de comunicação de 1310/1550 nm, portanto, somente o germânio (Ge) pode ser introduzido.
O germânio (Ge) possui um gap de banda direta de 0,8 eV, que cobre a banda O/C de comunicação, mas apresenta uma incompatibilidade de rede de 4,2% com o silício. A densidade de deslocamentos para crescimento direto chega a 4 × 10⁸ cm⁻², e a corrente escura é completamente inviável; ao mesmo tempo, o Ge possui um gap de banda indireta, e seu coeficiente de absorção é naturalmente uma ordem de magnitude menor que o do InGaAs, o que representa uma desvantagem inerente.
2. Inovação fundamental: a integração de guias de onda elimina o gargalo de desempenho.
A relação “comprimento de absorção = caminho de coleta de portadores” dos fotodetectores tradicionais de incidência vertical apresenta uma “largura de banda de responsividade” oscilante, com um limite superior de apenas 7 GHz;
Atualmente, as principais rotas de dispositivos são divididas em três categorias:
Pino vertical: O processo é o mais simples e comum na indústria, atingindo 40 Gb/s com polarização zero e largura de banda superior a 60 GHz;
MSM (Metal Semiconductor Metal): Não necessita de dopagem em alta temperatura, pode ser integrado no backend, possui alta corrente escura e largura de banda superior a 40 GHz;
Variantes de alta gama:Fotodetectores de onda viajanteOs fotodetectores TWPD (Thread-Throughput Photodetector) e os fotodetectores de portadora de linha única (UTC) são usados ​​para enlaces de fótons de micro-ondas, equilibrando alta largura de banda e alta fotocorrente de saturação.
3. Materiais e Artesanato: Transformando 'Defeitos' em Vantagens
Em resposta à incompatibilidade da estrutura cristalina e às deficiências de desempenho, a indústria desenvolveu soluções consolidadas:
Método de epitaxia em duas etapas: primeiro, uma camada tampão de baixa temperatura de 30-50 nm é cultivada e, em seguida, a temperatura é aumentada para atingir a espessura desejada, reduzindo a densidade de deslocamento para ~10 ⁷ cm ⁻ ²;
Engenharia de deformação: A diferença nos coeficientes de expansão térmica entre Ge e Si causará uma deformação biaxial de tração de 0,2% no filme de Ge, resultando em uma redução da banda proibida direta de 0,8 eV para 0,77 eV e uma extensão da borda de absorção de 1,55 μm para 1,61 μm, cobrindo toda a banda C+L, e até mesmo o coeficiente de absorção na banda L pode corresponder ao do InGaAs;
Integração CMOS: Ainda está em fase exploratória. A integração frontal (FEOL) precisa suportar altas temperaturas acima de 750 °C, enquanto a integração traseira (BEOL) é tolerante a altas temperaturas, mas não utiliza substratos de cristal, e ainda não existe uma solução madura e unificada. Atualmente, a indústria geralmente adota uma abordagem mista de “90% chip único + componentes externos”.laser“.