CMOS-kompatible Fotodetektoren aus Silizium

Leistungsfähige Fotodetektoren waren bisher nur für teures Geld zu bekommen. Grund dafür ist, dass für die Herstellung der Detektoren bislang III-V-Halbleitern wie Indiumphosphid verwendet werden mussten. Ein Fotodetektor aus Silizium verspricht jetzt das gleiche Leistungsspektrum für weniger Geld.

Leistungsfähige Fotodetektoren waren bisher nur für teures Geld zu bekommen. Grund dafür ist, dass für die Herstellung der Detektoren bislang III-V-Halbleitern wie Indiumphosphid verwendet werden mussten. Ein Fotodetektor aus Silizium verspricht jetzt das gleiche Leistungsspektrum für weniger Geld.

Seit Jahren forscht Intel (www.intel.com) im Bereich „Silicon Photonics“. „Silicon Photonic“ ist ein Verfahren, um optische Informationen zwischen Computern und anderen elektronischen Geräten zu übertragen. Vorteil der Technik ist, dass kostengünstiges Silizium verwendet werden kann. Die Herausforderungen liegen bei der Quantenausbeute – die III-V-Halbleiter sind hier in der Regel leistungsfähiger. Anfang Dezember 2008 gelang dem amerikanischen Konzern ein Durchbruch. Der Halbleiter-Weltmarktführer stellte einen APD (Avalanche Photo Detector) aus Silizium vor, dessen Kenndaten mit denen eines Indiumphosphid-Detektor vergleichbar sind. Der CMOS-kompatible APD aus Silizium und Germanium erreicht ein Verstärkungsbandbreitenprodukt von 340 GHz. Solche Bausteine sind etwa in der optischen Datenübertragung mit 40 Gbit/s erforderlich.

Für den Aufbau des Fotodetektors wird ein Standard-Silizium-Wafer verwendet, dessen Oberfläche mit Germanium beschichtet ist (Bild 1). Dabei gelang es Intel, eine hohe mechanische Gitterspannung zwischen Germanium und Silizium aufzubauen, ohne dass Risse auf der Oberfläche entstehen. Der Aufbau ist von einer Passivierungsschicht umgeben, die eine Korrosion des Siliziums und Germaniums verhindert. Die Photonen aus einem Lichtwellenleiter treffen auf die lichtabsorbierende Germanium-Schicht. Das Germanium wandelt das Photon in ein Elektron-Loch-Paar (Exziton) um. Das Loch wandert in der Germanium-Schicht, das Elektron ins Silizium.

Dort wird es von der angelegten äußeren Spannung beschleunigt und kollidiert mit den Silizium-Atomen im Kristallgitter. Jede Kollision bringt dabei ein neues Exziton hervor. Die Elektronen bleiben im Silizium, das entstehende Loch driftet in die Germanium-Schicht. Die beiden freien Elektronen stoßen wieder mit Atomen zusammen, es entstehen so zwei weitere Elektronen-Loch-Paare. Dieser lawinenartige Prozess geht weiter, bis aus dem einen Photon insgesamt 20 Elektronen entstanden sind. Die Elektronen können dann mit einer elektronischen Schaltung verstärkt werden. Der Vorgang wiederholt sich bei jedem einzelnen eintretenden Photon. Diese „Restlichtverstärkung“ gleicht dem Ablauf in einem Indiumphosphid-Halbleiter.

Der neue Intel-Chip integriert nun ganze Reihen von Silizium-ADPs (Bild 2). So wird eine simultane Verarbeitung mit Datenübertragungsraten im Bereich Terabit/s ermöglicht. Hergestellt wird der Intel-Chip mit den herkömmlichen Halbleiter-Produktionseinheiten. Zusätzlich zur optischen Nachrichtenübertragung finden die Silizium-APDs Anwendung in Sensorik, Bildverarbeitung, Quantenkryptographie oder Medizintechnik. ag