硅基锗PIN光电探测器的研究进展综述

硅基光电探测器是硅基光电子中的关键器件，其功能是将光信号转换为易于存储和处理的电信号。由于锗可以实现近红外通信波段的光吸收，而且完全兼容硅的CMOS工艺，硅基锗探测器几乎成为硅基光探测的唯一选择。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室的研究团队介绍了面入射和波导耦合两类常见硅基锗光电探测器的研究进展，包括典型的器件结构以及提升响应度和带宽等性能的主要途径。相关研究内容以“硅基锗PIN光电探测器的研究进展”为题发表在《半导体光电》期刊上。

面入射硅基锗光电探测器

硅基锗探测器根据光入射方式的不同，主要分为面入射和波导耦合两种器件结构，适用于不同的应用场景。面入射结构光耦合简单高效，使用比较灵活，适用于光通信、光互连、光传感的光接收模块等。波导结构硅基锗光电探测器易与其他光波导器件集成，适用于片上光互连等应用。

面入射结构探测器的光入射方向与光吸收的厚度方向以及光生载流子输运方向平行，其响应度与光吸收层厚度密切相关，而吸收层的厚度又决定了光生载流子的渡越时间，因此响应度与响应速度之间存在着相互制约的关系。想要获得高的响应度，就必须增加吸收层的厚度，这就会增加光生载流子的渡越时间，势必会降低器件的响应速度。反之，为了实现高的响应速度，需要减小锗吸收层的厚度，这就会降低响应度。

利用垂直方向上的界面反射形成共振腔结构，可以在特定的波长实现共振增强吸收，从而缓解面入射光电探测器响应度与响应速度的互相制约关系。2005年，波士顿大学与MIT合作研制出SOI衬底上的锗共振腔光电探测器，器件结构简要示意图如图1（a）所示。2016年，中科院半导体所利用SOI衬底的硅/氧化硅的界面反射，设计了共振增强的高速硅基锗探测器，器件的结构如图1（b）所示。目前，传统结构和共振腔增强结构的硅基锗面入射光电探测器，已经进入产业化阶段，在市场上出现了10 G和25 G硅基锗探测器产品。

近几年利用锗表面的结构化来对入射光的光场进行调制，在较薄层的锗中增强光吸收的方案逐渐进入人们的视野，但目前大多处于理论模拟阶段。，锗结构表面化也可能会引起器件其他性能的劣化，如暗电流增大、器件对入射光偏振和角度敏感等问题，需要进一步地探索和创新。

图1 具有共振腔增强结构的硅基锗面入射探测器结构示意图

波导耦合硅基锗探测器

为了满足硅基光电子集成芯片发展的需求，波导耦合型光电探测器逐渐成为硅基光电探测器的研究重点，器件中光的入射方向与载流子的输运方向垂直，从而可以基本解除响应度与带宽的相互制约，在提高带宽的同时也可以保证相对较高的器件响应度。最初的波导耦合结构为butt耦合型，锗光电探测器的锗吸收层材料与硅波导直接对接，来自硅波导的光直接入射端侧的锗吸收层，从而实现对光的探测，耦合结构如图2（a）所示。然而，波导butt耦合型光电探测器的制备工艺复杂，锗外延区需要对硅进行刻蚀或腐蚀，刻蚀后的硅表面状态将影响锗外延层的质量，外延锗之后，一般还需要进行锗的化学机械抛光等复杂工艺。

图2 波导探测器光耦合的方式

波导耦合光电探测器的另一种常见结构是消逝场耦合结构，锗吸收材料处于硅波导的上方，来自硅波导的光信号到达锗吸收材料下方后，光将通过消逝场耦合进入折射率比硅大的锗吸收层，实现对光的吸收探测，耦合结构如图2（b）所示。倏逝波导耦合型PIN结光电探测器可以分为纵向和横向PIN结构。纵向PIN结构的器件，结平面与器件表面平行，制备工艺简单，与其他硅基光电子器件兼容性好，应用比较广泛。中科院半导体研究所通过自行设计的UHV/CVD研制出具有25通道的硅基波分复用集成光接收芯片，其中的硅基锗探测器采用纵向PIN结构，结构示意图如图3（a）所示。

具有纵向PIN结的探测器，锗材料顶部需要制备金属电极以形成欧姆接触，因此锗的尺寸比较大，器件电容偏大，带宽受到限制。此外，锗中的光信号在金属电极处有光场分布，不可避免地会造成金属吸收，从而降低器件的响应度。具有横向PIN结的消逝波耦合光电探测器，光吸收区很小，且金属远离光场，可以避免以上两个问题，通常具有更高的带宽和更好的响应度，代价则是需要提高器件制备精度和引入相对复杂的工艺步骤。2016年，根特大学Chen等报道了3 dB带宽为67 GHz的波导耦合型横向PIN结硅基锗光电探测器，图3（b）为该器件结构示意图。

图3 消逝波耦合的器件结构示意图

提高探测器的带宽主要通过降低器件RC和渡越时间来实现。然而，探测器是电容性器件，通过匹配合适的电感，可以在特定频率上补偿探测器的电容效应，从而提高器件的带宽。2012年，Gould等提出可利用电感增益峰值技术来提高光电探测器的带宽。在探测器电极的制作过程中加入集成螺旋电感，通过电感值抵消探测器的寄生参数对频率响应的影响，进而提高光电探测器的3 dB带宽。

此外，相比于没有集成电感的器件，集成电感的器件可以实现更清晰的眼图。尽管如此，在光通信应用中，硅基锗探测器通常需要和跨阻放大器（TIA）直连，将电信号转化为光信号。集成电感虽然可以在特定的频率范围内提高硅基锗探测器的3 dB带宽，并将器件从容性转化为感性，但是这可能会对探测器和TIA的匹配以及信号的传输产生一定的不良影响，还需要更多的研究。

总结与展望

硅基锗光电探测器经过二十多年的发展逐渐趋于成熟。面入射硅基锗光电探测器受光面尺寸限制，器件尺寸较大，带宽受限，因此研究主要集中在降低暗电流，平衡响应度和带宽方面。目前面入射硅基锗光电探测器已逐渐从科研转向产业化，借助于硅光成熟的大尺寸晶圆制造工艺，器件在可靠性、良率和成本等方面具有优势。对于波导耦合的硅基锗光电探测器，其暗电流、响应度和带宽性能显著优于面入射硅基锗探测器，研究的重点主要集中在提高器件带宽。然而，如何在提高带宽的同时，尽量减少对器件其他参数的影响，均衡提升器件性能非常具有挑战性，需要更多的努力和创新。

论文信息：

DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2022041001

 

审核编辑：刘清