¿Por qué tenemos que usar germanio como fotodetector?

¿Por qué tenemos que usar Ge como unfotodetector
1. Posicionamiento básico: ¿Por qué es necesario utilizar germanio como fotodetector?
En los enlaces ópticos de silicio, los fotodetectores son los "traductores" que convierten las señales ópticas de nuevo en señales eléctricas. Sin embargo, el silicio en sí tiene una banda prohibida de 1,12 eV y es casi transparente a las bandas de comunicación de 1310/1550 nm, por lo que solo se puede introducir germanio (Ge).
El germanio (Ge) tiene una banda prohibida directa de 0,8 eV, que cubre la banda O/C de comunicación, pero presenta un desajuste de red del 4,2 % con el silicio. La densidad de dislocaciones para el crecimiento directo alcanza los 4 × 10⁸ cm⁻², y la corriente oscura es completamente nula. Al mismo tiempo, el Ge tiene una banda prohibida indirecta, y su coeficiente de absorción es, naturalmente, un orden de magnitud menor que el del InGaAs, lo que representa una desventaja inherente.
2. Avance fundamental: la integración de la guía de ondas rompe el cuello de botella del rendimiento.
La “longitud de absorción = trayectoria de recolección de portadores” de los fotodetectores tradicionales de incidencia vertical tiene un “ancho de banda de respuesta” oscilante, con un límite superior de solo 7 GHz;
Actualmente, las rutas de dispositivos más comunes se dividen en tres categorías:
Pin vertical: El proceso es el más simple y convencional de la industria, logrando 40 Gb/s con polarización cero y un ancho de banda > 60 GHz;
MSM Metal Semiconductor Metal: No necesita dopaje a alta temperatura, se puede integrar en la etapa final, tiene una alta corriente oscura y un ancho de banda de más de 40 GHz;
Variantes de gama alta:fotodetectores de onda viajeraLos fotodetectores de onda sintonizable (TWPD) y los fotodetectores de portadora de línea única (UTC) se utilizan para enlaces de fotones de microondas, equilibrando un ancho de banda alto y una fotocorriente de saturación alta.
3. Materiales y mano de obra: Convertir los "defectos" en ventajas
En respuesta a la falta de coincidencia de la red cristalina y a las deficiencias de rendimiento, la industria ha desarrollado soluciones consolidadas:
Método de epitaxia en dos etapas: primero, se cultiva una capa tampón de baja temperatura de 30-50 nm, y luego se aumenta la temperatura para alcanzar el espesor objetivo, reduciendo la densidad de dislocaciones a ~10 ⁷ cm ⁻ ²;
Ingeniería de deformación: La diferencia en los coeficientes de expansión térmica entre Ge y Si provocará una deformación de tracción biaxial del 0,2 % en la película de Ge, lo que dará como resultado una reducción de la banda prohibida directa de 0,8 eV a 0,77 eV y una extensión del borde de absorción de 1,55 μm a 1,61 μm, cubriendo toda la banda C+L, e incluso el coeficiente de absorción en la banda L puede igualar el de InGaAs;
Integración CMOS: Todavía se encuentra en la etapa exploratoria. La integración frontal (FEOL) necesita soportar altas temperaturas superiores a 750 ℃, mientras que la integración posterior (BEOL) es compatible con temperaturas más altas pero carece de sustratos de cristal y aún no ha formado una solución madura unificada. Actualmente, la industria generalmente adopta una ruta mixta de "90 % de un solo chip + integración externa".láser“.