Breitbandiger, hocheffizienter Photodetektor basierend auf dem SiGe-Materialsystem

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Manfred Berroth; Professor Dr. Erich Kasper
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17567409

Der Austausch mit hohen Datenraten auf elektrischen Leitungen wird selbst über kurze Entfernungen zunehmend problematisch, weil Dispersion und Dämpfung die Signalqualität beeinträchtigen. Bei der Datenübertragung über optische Medien treten diese Effekte erst bei ungleich höheren Geschwindigkeiten auf. Optische Verfahren könnten breite Verwendung finden, wenn die Empfänger monolithisch mit Silizium-Schaltungen integriertwerden können. Silizium-Germanium-Photodetektoren sind vielversprechende Empfangselemente mit hohem Integrationspotential, weil Germanium ebenso wie Silizium zu den Gruppe IVHalbleitern gehört und bereits zur industriellen Herstellung von sehr schnellen Hetero- Bipolartransistoren verwendet wird. Außerdem besitzt Germanium im Vergleich zu Silizium ein wesentlich höheres Absorptionsvermögen im infraroten Spektralbereich der optischen Nachrichtentechnik, während Silizium dort nahezu transparent ist. In dem Vorhaben sollen auf Silizium-Substraten integrierte, ultraschnelle Germanium- Photodetektoren für Anwendungen bei 80 Gbit/s und darüber entwickelt werden. In Vorarbeiten wurden bereits Germanium-PIN-Photodioden mit einer derzeit weltweit einzigartigen Bandbreite von 39 GHz demonstriert. Darauf aufbauend sollen Detektoren für den vertikalen Lichteinfall realisiert werden, die konkurrierende Anforderungen nach großer Bandbreite und hoher Quanteneffizienz bei einfacher optischer Einkopplung möglichst gut erfüllen. Diese Ziele erfordern neuartige Ansätze sowohl beim Wachstum als auch beim simulationsgestützten Entwurf. Das Wachstum erfolgt mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) auf Silizium-Substraten. Schwerpunkte der Forschung sind hier die Herstellung abrupter Dotierübergänge in Germanium für den schnellen, feldgetriebenen Transport der photogenerierten Ladungsträger, die gezielte Anpassung der Gitterkonstanten von Ge und Si mit dünnen, integrationsfreundlichen virtuellen Substrattechniken, die Untersuchung von Quantenstrukturen mit gezielter elastischer Verspannung und von intrinsischen Schichten mit Kohlenstoff (C)-Dotierung und der Entwurf und die Realisierung von Bauelementen mit niedrigen Serienwiderständen. Wellenoptische Simulationen zielen auf den Entwurf von technologisch realisierbaren Einkoppelstrukturen, die bei vertikalem Lichteinfall eine Wellenausbreitung parallel zur Waferoberfläche im Absorber bewirken und somit die Quanteneffizienz steigern. Die Erstellung eines physikalisch motivierten Photodiodenmodells steht im Mittelpunkt einer optoelektronischen Charakterisierung bis in den Höchstfrequenzbereich.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Michael Oehme