なぜ光検出器としてゲルマニウム（Ge）を使用しなければならないのか？

なぜGeを使わなければならないのか光検出器
1．基本的な位置付け：なぜ光検出器としてGeを使用する必要があるのか
シリコン光リンクにおいて、フォトディテクタは光信号を電気信号に変換する「変換器」の役割を果たします。しかし、シリコン自体のバンドギャップは1.12 eVであり、1310/1550 nmの通信帯域に対してほぼ透明であるため、導入できるのはゲルマニウム（Ge）のみです。
Geは0.8 eVの直接バンドギャップを持ち、通信用O/Cバンドをカバーしていますが、シリコンとの格子不整合が4.2%あります。直接成長の場合、転位密度は4 × 10⁸ cm⁻²にも達し、暗電流は全く発生しません。同時に、Geは間接バンドギャップを持ち、吸収係数はInGaAsよりも1桁低いという自然な弱点があります。
2．コア技術のブレークスルー：導波路統合により性能のボトルネックを解消
従来の垂直入射型光検出器の「吸収長＝キャリア収集経路」は「応答帯域幅」が変動し、上限はわずか7GHzである。
現在、主流のデバイスルートは3つのカテゴリに分けられます。
垂直ピン：このプロセスは業界で最もシンプルで主流であり、ゼロバイアスで40Gb/s、60GHzを超える帯域幅を実現します。
MSM（金属半導体金属）：高温ドーピングが不要で、バックエンドに統合可能、暗電流が高く、帯域幅が40GHz以上。
ハイエンドモデル：進行波型光検出器マイクロ波光子リンクには、高帯域幅と高飽和光電流のバランスを取るために、TWPD（TWPD）とシングルラインキャリアフォトディテクタ（UTC）が使用されます。
3．素材と職人技：欠点を利点に変える
格子不整合や性能上の欠点に対応するため、業界は成熟したソリューションを開発してきた。
2段階エピタキシャル成長法：まず、30～50nmの低温バッファ層を成長させ、次に温度を上げて目標の厚さに達し、転位密度を約10⁷cm⁻²まで低減します。
歪みエンジニアリング: GeとSiの熱膨張係数の違いにより、Ge膜に0.2%の二軸引張歪みが生じ、直接バンドギャップが0.8 eVから0.77 eVに減少し、吸収端が1.55 μmから1.61 μmに拡張され、C+Lバンド全体をカバーし、Lバンドの吸収係数はInGaAsの吸収係数と一致する可能性があります。
CMOS統合：まだ探索段階です。フロントエンド統合（FEOL）は750℃を超える高温に耐える必要があり、バックエンド統合（BEOL）は温度に優しいですが結晶基板がなく、統一された成熟したソリューションはまだ形成されていません。現在、業界では一般的に「90%シングルチップ+外部」の混合ルートを採用しています。レーザ「。