一种可采用标准流片工艺制备的锗硅雪崩光电探测器

研究成果概述

近日，浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授团队设计了一种可采用标准流片工艺制备的锗硅雪崩光电探测器，所研制APD性能优越，实现了高达615GHz的创纪录增益带宽积GBP，并成功演示了其100 Gbps NRZ和PAM-4 高速信号接收，为下一代高速硅光集成的光接收奠定了核心光器件基础，具有重要应用前景。

相关研究成果以“High-speed waveguide Ge/Si avalanche photodiode with a record gain-bandwidth product of 615 GHz”（具有615GHz创纪录增益带宽积的高速锗硅雪崩光电探测器）为题于2022年7月6日发表于美国光学学会旗舰期刊《Optica》。

背景介绍

随着云服务、人工智能、物联网等新型业务的兴起，数据传输速率及容量面临前所未有的挑战，其关键在于发展高速光电子器件。近10年来，硅基光电子快速发展，以其CMOS兼容和高集成度等突出优点成为集成光电子领域的新兴主流技术，而如何实现更高性能以满足下一代应用需求是其当前发展所面临的重要挑战。众所周知，高性能光电探测器是几乎所有光学系统都不可或缺的核心器件。为了获得更高灵敏度，人们发展了具有内增益的雪崩光电探测器（APD），如锗硅APD。此前报道的锗硅APD增益带宽积不高（通常为~300GHz），且往往需要引入比较复杂的多次外延垂直结构或精细局部掺杂结构，难以满足未来高速高灵敏接收机发展需求。

图1  所研制的锗硅APD器件结构图及显微镜照片

文章亮点

针对这一问题，浙江大学光电科学与工程学院/现代光学仪器国家重点实验室戴道锌教授团队最近发文报道了超高增益带宽积的锗硅APD最新研究成果。基于180 nm标准流片工艺，该团队提出并实现了一种超高增益带宽积的水平拉通型锗硅波导APD，如图1所示。

在此器件中，通过硅倍增区电场非均匀化，巧妙利用其“dead space”效应，进一步减小了硅倍增区等效电离比，有效降低了其过剩噪声，突破了其增益带宽积GBP制约。同时，创新性地引入浅刻蚀脊波导结构设计，实现了对该器件光场及电场的有益调控。一方面，有助于增强锗区光吸收率，进而提升其响应度；另一方面，有效抑制了锗区边缘电场强度，有助于降低APD暗电流。尤为重要的是，该APD仅需采用标准CMOS单次锗外延工艺，避免了传统的垂直分离吸收电荷倍增结构APD所需的多次外延等复杂工艺。

研究团队所研制的APD器件工作于O波段（如图1所示），其工作电压约−14V、单位增益响应度达0.93 A/W。特别是，该器件获得48 GHz带宽的同时，增益系数高达12.8，对应的增益带宽积高达615 GHz，如图2a所示。基于此APD，研究团队进一步开展了高速信号接收实验，成功演示了速率达100 Gbps的NRZ和PAM-4信号接收，如图2b所示，其灵敏度分别为−12.6 dBm和−11.3 dBm（BER=2.4×10-4）。

研究结果表明，所研制APD器件性能优越且工艺简便，为高速光信号的高灵敏度接收奠定了关键基础，且与无源硅光器件、光调制器等核心功能器件工艺兼容，可进一步构建多功能集成应用，具有广阔的应用前景。

图2  (a) APD带宽与增益带宽积；

(b) 100Gbps NRZ与100Gbps PAM-4信号眼图测试

论文及作者信息等

论文第一作者为博士研究生项宇銮，通讯作者为戴道锌教授，合作作者包括郭敬书研究员、博士研究生曹恒镇与刘超越。该研究工作得到了国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等支持。

审核编辑 ：李倩