Tại sao chúng ta phải sử dụng Ge làm bộ cảm biến quang?

Tại sao chúng ta phải sử dụng Ge làm...bộ tách sóng quang
1. Định vị cơ bản: Tại sao cần sử dụng Ge làm bộ cảm biến quang?
Trong các liên kết quang học silicon, bộ tách sóng quang đóng vai trò là "bộ chuyển đổi" chuyển đổi tín hiệu quang học trở lại tín hiệu điện. Tuy nhiên, bản thân silicon có khe năng lượng 1,12 eV và gần như trong suốt đối với các dải tần truyền thông 1310/1550 nm, do đó chỉ có germanium (Ge) mới có thể được sử dụng.
Ge có khe năng lượng trực tiếp là 0,8 eV, bao phủ dải O/C, nhưng có độ lệch mạng tinh thể 4,2% so với silicon. Mật độ sai lệch trong quá trình tăng trưởng trực tiếp cao tới 4 × 10⁸ cm⁻², và dòng điện tối hoàn toàn không khả dụng; Đồng thời, Ge có khe năng lượng gián tiếp, và hệ số hấp thụ của nó thấp hơn một bậc so với InGaAs, đây là một điểm yếu tự nhiên.
2. Bước đột phá cốt lõi: tích hợp ống dẫn sóng phá vỡ nút thắt hiệu năng.
“Chiều dài hấp thụ = đường dẫn thu thập hạt tải điện” của các bộ tách sóng quang truyền thống có “băng thông đáp ứng” dạng bập bênh, với giới hạn trên chỉ là 7GHz;
Hiện nay, các lộ trình thiết bị chính thống được chia thành ba loại:
Chân cắm dọc: Quy trình này là đơn giản và phổ biến nhất trong ngành, đạt được tốc độ 40Gb/s ở điện áp phân cực bằng không và băng thông >60GHz;
MSM (Metal Semiconductor Metal): Không cần pha tạp ở nhiệt độ cao, có thể tích hợp ở khâu cuối, có dòng điện tối cao và băng thông trên 40GHz;
Các phiên bản cao cấp:Máy dò quang sóng truyền(TWPD) và bộ tách sóng quang mang sóng đơn (UTC) được sử dụng cho các liên kết photon vi sóng, cân bằng giữa băng thông cao và dòng quang bão hòa cao.
3. Vật liệu và kỹ thuật chế tác: Biến 'khuyết điểm' thành ưu điểm
Để giải quyết vấn đề không tương thích cấu trúc mạng tinh thể và những thiếu sót về hiệu năng, ngành công nghiệp đã phát triển các giải pháp hoàn thiện:
Phương pháp epitaxy hai bước: đầu tiên, một lớp đệm nhiệt độ thấp có độ dày 30-50nm được nuôi cấy, sau đó nhiệt độ được tăng lên để đạt đến độ dày mục tiêu, giảm mật độ sai lệch xuống khoảng 10⁷ cm⁻²;
Kỹ thuật điều chỉnh biến dạng: Sự khác biệt về hệ số giãn nở nhiệt giữa Ge và Si sẽ gây ra biến dạng kéo hai chiều 0,2% trong màng Ge, dẫn đến giảm khe năng lượng trực tiếp từ 0,8 eV xuống 0,77 eV và mở rộng cạnh hấp thụ từ 1,55 μm lên 1,61 μm, bao phủ toàn bộ dải C+L, và thậm chí hệ số hấp thụ trong dải L có thể tương đương với InGaAs;
Tích hợp CMOS: Hiện vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu. Tích hợp phía trước (FEOL) cần chịu được nhiệt độ cao trên 750 ℃, trong khi tích hợp phía sau (BEOL) có khả năng chịu nhiệt tốt hơn nhưng không có chất nền tinh thể, và vẫn chưa hình thành một giải pháp hoàn chỉnh thống nhất. Hiện nay, ngành công nghiệp thường áp dụng phương pháp kết hợp “90% chip đơn + tích hợp bên ngoài”.tia laser“.