Forschung – SiGe p-i-n Fotodioden

In Zusammenarbeit mit dem IHT werden am INT schnelle Germanium (Ge) p-i-n Fotodioden entworfen und charakterisiert.



Aufgrund der geringen Schichtdicke der Fotodioden, die unter einem Mikrometer liegt, und der Tatsache, dass die Ge-Fotodioden auf Silizium gewachsen werden können, ist eine Integration von Ge-Fotodioden in gängige CMOS-Prozesse möglich. Der geringe Durchmesser der Strukturen im Bereich von mehreren Mikrometern sowie die senkrechte Einkopplung sind hinsichtlich Platzbedarfs ein weiterer Vorteil. Diese Fotodioden sind für den Einsatz in verschiedenen Bereichen vorgesehen, in denen hohe Datenraten essentiell sind. Hohe Datenraten werden über größere Strecken hinweg gefordert, wie es im Bereich der lokalen Netzwerke (local area network, LAN) der Fall ist. Hier liegt die maximale Übertragungsrate momentan bei 10 GBit/s. Die Entwicklung geht über 40 GBit/s in Richtung 100 GBit/s. Bei dieser Datenrate ist der Einsatz von Glasfasern auf der Übertragungsstrecke unumgänglich. Schnelle Datenweitergabe ist aber auch im Bereich kleinster Abmessungen unerlässlich. Der Extremfall ist die Kommunikation verschiedener Baugruppen auf einem Chip. Die Entwicklung passiver optischer Elemente auf dem Chip ist hierfür notwendig: Wellenleiterstrukturen, Verzögerungsleitungen und optische Filter können eingesetzt werden. Als Schnittstellenelemente kommen auch hier die Ge-Fotodioden wegen ihrer Abmessungen und Geschwindigkeiten in Betracht. Sind sie dabei als Wellenleiter-Fotodioden ausgeführt, soll das Licht trotzdem noch vertikal eingekoppelt werden, damit so die Flexibilität bei der Positionierung der Fotodioden auf dem Chip erhalten bleibt. Dies kann über 90°-Gitterkoppler realisiert werden, welche im Zusammenhang mit den genannten passiven optischen Komponenten ein weiteres Forschungsgebiet der Optikgruppe des INT sind. Zu diesen passiven Elementen gehören auch spezielle Einkoppelstrukturen und Spiegelschichten, die für eine höhere Responsivität sorgen sollen, bei der gleichzeitig die hohe Geschwindigkeit erhalten wird: Die gewählten Abmessungen der intrinsischen Germaniumschicht haben eine positive Auswirkung auf die Bandbreite der Fotodioden hinsichtlich der Transitzeit, wirken sich allerdings negativ auf die Empfindlichkeit der Fotodioden aus. Zur Charakterisierung der Fotodioden, welche wichtige Daten für die Modellierung in entsprechenden Simulationswerkzeugen liefert, werden auch Fotodioden mit größeren Radien und Schichtdicken untersucht. Damit wird beispielsweise die Abhängigkeit von Fläche und Umfang verschiedener Größen wie Dunkelstrom und Sperrschichtkapazität bestimmt. Mit letzterer Größe ist auch die Bandbreite der Fotodioden abhängig von der Geometrie.