15、硅光子学：从锗材料到片上系统的应用前景

硅光子学：从锗材料到片上系统的应用前景

锗在硅光子学中的应用

锗作为一种材料，在硅光子学领域发挥着重要作用，特别是在基于硅的绿色发电技术方面。研究人员设计了AlxGa1−xAs/AlyGa1−yAs/(Ge)/Si/Ge类型的四结串联太阳能电池。其中，硅既作为具有1.12eV带隙的太阳能电池，又作为提供所需机械强度的衬底。

在特定条件下，即Jsc = 13 mA/cm²时，这种串联电池的总功率效率估计可达43.07%。为简化计算，填充因子（FF）是在假设pn二极管的理想因子为1且Voc = Eg - 0.4的条件下得出的。不同材料的带隙如下表所示：
| 材料 | 带隙（eV） |
| ---- | ---- |
| Al0.30Ga0.70As | 1.798 |
| Al0.05Ga0.95As | 1.486 |
| Si | 1.12 |
| Ge | 0.8 |

理论计算表明，在AM1.5G和1 - sun条件下，该电池效率可达43%，这与在锗上使用GaInNAs电池而非硅电池的串联电池相当。在硅上制造的锗太阳能电池再现了理论预测的外部量子效率，克服了由（Ge）缓冲层引起的串联结构的潜在弱点，这充分证明了锗是实现GaAs与硅材料集成的关键因素。

此外，基于锗的材料集成还将刺激基于GaAs的光子和电子器件的发展。硅的热导率是锗和GaAs的两倍，这也是使用硅的另一个好处。因为热损耗一直是限制高注入器件（如激光器和高电子迁移率晶体管（HEMTs））性能和可靠性的因素。

片上系统（SoC）的挑战与需求

在当今充满挑战的电子市场中，片上系统（SoC）是提供具有竞争力的性能