Germanium-Photodetektoren mit Doppel-Hetero-Übergängen für die optische Übertragung auf einem Silizium-Chip

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung von Germanium-Photodetektoren für die optische Übertragung auf einem Silizium-Chip besprochen. Die Detektoren besitzen eine p-i-n-Struktur mit zwei Hetero-Übergängen. Da die RC-Zeitkonstante die Geschwindigkeit der Detektoren beschränkt, werden die Kapazität und der Serienwiderstand optimiert. Zusammen mit der Trennungsgeschwindigkeit der generierten Ladungsträger beschreibt die RC-Zeitkonstante die elektro-optische Übertragungsgeschwindigkeit. Die Bauteilschichten werden mit der Molekularstrahlepitaxie bei tiefen Temperaturen in einem fortlaufenden Prozess abgeschieden, der eine gute Dickenkontrolle, kleine Defektdichte und scharfe Dotierprofile erlaubt. Für das nahezu defektfreie Wachstum der Germanium-Schichten auf Silizium-Substraten wird ein virtuelles Substrat entwickelt. Die Photodetektoren werden mit zwei Ätzschritten des Doppel-Mesa-Prozesses hergestellt. Die Entwicklung des virtuellen Substrates und die Einführung der Hetero-Übergänge verbessern die elektro-optischen Eigenschaften der Germanium-Detektoren. Dazu kann die direkte Bandkante von Germanium durch die Beimischung von Zinn oder eine Zugverspannung in der Absorptionsschicht zu kleineren Energien verschoben werden. Die 3dB-Grenzfrequenz beträgt 39 GHz bei 0 V und 49 GHz bei -2 V angelegter Spannung. Mit dem beobachteten Franz-Keldysh-Effekt können Absorptionsmodulatoren hergestellt werden. Ein Prozess für den Wellenleiter-Detektor mit evaneszenter Kopplung an den Wellenleiter wird mit einem Ätzschritt und differentieller Molekularstrahlepitaxie entwickelt. Zum Abschluss wird kurz der integrierte Germanium-Emitter vorgestellt, der an der direkten Bandkante von Germanium ein Maximum im Elektrolumineszenz-Spektrum aufweist.

This work covers the development of Germanium detectors integrated on Silicon substrates for the optical on-chip communication. The detectors are realized in a p-i-n structure with two hetero-junctions. The capacitance and series resistance is optimized as the RC load time limits the speed. The RC load and the carrier separation describe together the electro-optical transfer characteristic and determine the speed or 3dB-bandwidth. The device layers are deposited with molecular beam epitaxy at low temperatures in a continuous process providing good thickness precision, low defect density and very sharp doping profiles. An ultra-thin virtual substrate is developed enabling the growth of Germanium layers on Silicon substrates with low defect densities. The photodetectors are structured with a double mesa process using two etching steps. The development of the virtual substrate and the implementation of hetero-junctions improve the electro-optical properties. The direct band edge of Germanium is shifted to lower energies by adding Tin to the Germanium or by enabling tensile strain in the absorption layer. The speed of the detector reaches 3dB cut-off frequencies of 39 GHz at zero-bias operation and 49 GHz at – 2 V. The Franz-Keldysh effect is observed for different detectors enabling these devices for electro-optical modulation. A waveguide detector is presented using evanescent coupling from the waveguide to the detector. Etching and differential molecular beam epitaxy places the detector accordingly to the waveguide. The emitter as the final device of the on-chip communication is presented briefly. The electroluminescence spectra show the peak at the direct band edge of Germanium.