لماذا يتعين علينا استخدام الجرمانيوم ككاشف ضوئي؟

لماذا يتعين علينا استخدام Ge كـكاشف ضوئي
1- تحديد الموقع الأساسي: لماذا من الضروري استخدام الجرمانيوم ككاشف ضوئي؟
في وصلات السيليكون الضوئية، تعمل الكواشف الضوئية كـ"محولات" لتحويل الإشارات الضوئية إلى إشارات كهربائية. ومع ذلك، فإن السيليكون نفسه يمتلك فجوة طاقة تبلغ 1.12 إلكترون فولت، وهو شبه شفاف لنطاقات الاتصالات 1310/1550 نانومتر، لذا لا يمكن استخدام سوى الجرمانيوم (Ge)
يمتلك الجرمانيوم فجوة نطاق طاقة مباشرة تبلغ 0.8 إلكترون فولت، تغطي نطاق التوصيلات الكهربائية، ولكنه يعاني من عدم تطابق شبكي بنسبة 4.2% مع السيليكون. تصل كثافة العيوب البلورية في النمو المباشر إلى 4 × 10⁸ سم⁻²، مما يؤدي إلى انعدام التيار المظلم تمامًا. في المقابل، يمتلك الجرمانيوم فجوة نطاق طاقة غير مباشرة، ومعامل امتصاصه أقل بعشر مرات من معامل امتصاص إنديوم غاليوم أرسينيد، وهو ما يُعد نقطة ضعف طبيعية.
2- اختراق جوهري: دمج الموجهات الموجية يكسر عنق الزجاجة في الأداء
إن "طول الامتصاص = مسار تجميع الناقل" لأجهزة الكشف الضوئي التقليدية ذات السقوط العمودي لها "نطاق استجابة" متذبذب، بحد أقصى يبلغ 7 جيجاهرتز فقط؛
في الوقت الحالي، تنقسم مسارات الأجهزة الرئيسية إلى ثلاث فئات:
الدبوس العمودي: هذه العملية هي الأبسط والأكثر شيوعًا في الصناعة، حيث تحقق سرعة 40 جيجابت/ثانية عند انحياز صفري وعرض نطاق ترددي >60 جيجاهرتز؛
MSM معدن أشباه الموصلات المعدنية: لا حاجة للتطعيم بدرجة حرارة عالية، ويمكن دمجها في الواجهة الخلفية، ولها تيار مظلم عالي، وعرض نطاق ترددي يزيد عن 40 جيجاهرتز؛
الأنواع الفاخرة:كاشفات ضوئية للموجات المتنقلةتُستخدم أجهزة الكشف الضوئي (TWPD) وأجهزة الكشف الضوئي أحادية الخط الحامل (UTC) لوصلات الفوتون الميكروويفية، مما يحقق التوازن بين عرض النطاق الترددي العالي والتيار الضوئي عالي التشبع.
3- المواد والحرفية: تحويل "العيوب" إلى مزايا
استجابةً لعدم تطابق الشبكة ونقص الأداء، طورت الصناعة حلولاً ناضجة:
طريقة الترسيب الطبقي على مرحلتين: أولاً، يتم تنمية طبقة عازلة منخفضة الحرارة بسمك 30-50 نانومتر، ثم يتم رفع درجة الحرارة للوصول إلى السمك المستهدف، مما يقلل كثافة الخلع إلى ~10 ⁷ سم ⁻ ²؛
هندسة الإجهاد: سيؤدي اختلاف معاملات التمدد الحراري بين الجرمانيوم والسيليكون إلى إجهاد شد ثنائي المحور بنسبة 0.2٪ في طبقة الجرمانيوم، مما يؤدي إلى انخفاض مباشر في فجوة النطاق من 0.8 إلكترون فولت إلى 0.77 إلكترون فولت وامتداد حافة الامتصاص من 1.55 ميكرومتر إلى 1.61 ميكرومتر، مما يغطي نطاق C+L بالكامل، وحتى معامل الامتصاص في نطاق L يمكن أن يتطابق مع معامل InGaAs؛
تكامل CMOS: لا يزال في مرحلة الاستكشاف. يتطلب تكامل الواجهة الأمامية (FEOL) تحمل درجات حرارة عالية تتجاوز 750 درجة مئوية، بينما يتميز تكامل الواجهة الخلفية (BEOL) بتحمله لدرجات الحرارة المرتفعة ولكنه لا يتطلب ركائز بلورية، ولم يتم التوصل بعد إلى حل موحد ناضج. حاليًا، يعتمد القطاع بشكل عام على مسار مختلط بنسبة 90% من رقاقة واحدة بالإضافة إلى تكامل خارجي.ليزر".