硅基鍺PIN光電探測器的研究進展綜述

硅基光電探測器是硅基光電子中的關鍵器件，其功能是將光信號轉換為易于存儲和處理的電信號。由于鍺可以實現近紅外通信波段的光吸收，而且完全兼容硅的CMOS工藝，硅基鍺探測器幾乎成為硅基光探測的唯一選擇。

據麥姆斯咨詢報道，中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室的研究團隊介紹了面入射和波導耦合兩類常見硅基鍺光電探測器的研究進展，包括典型的器件結構以及提升響應度和帶寬等性能的主要途徑。相關研究內容以“硅基鍺PIN光電探測器的研究進展”為題發表在《半導體光電》期刊上。

面入射硅基鍺光電探測器

硅基鍺探測器根據光入射方式的不同，主要分為面入射和波導耦合兩種器件結構，適用于不同的應用場景。面入射結構光耦合簡單高效，使用比較靈活，適用于光通信、光互連、光傳感的光接收模塊等。波導結構硅基鍺光電探測器易與其他光波導器件集成，適用于片上光互連等應用。

面入射結構探測器的光入射方向與光吸收的厚度方向以及光生載流子輸運方向平行，其響應度與光吸收層厚度密切相關，而吸收層的厚度又決定了光生載流子的渡越時間，因此響應度與響應速度之間存在著相互制約的關系。想要獲得高的響應度，就必須增加吸收層的厚度，這就會增加光生載流子的渡越時間，勢必會降低器件的響應速度。反之，為了實現高的響應速度，需要減小鍺吸收層的厚度，這就會降低響應度。

利用垂直方向上的界面反射形成共振腔結構，可以在特定的波長實現共振增強吸收，從而緩解面入射光電探測器響應度與響應速度的互相制約關系。2005年，波士頓大學與MIT合作研制出SOI襯底上的鍺共振腔光電探測器，器件結構簡要示意圖如圖1（a）所示。2016年，中科院半導體所利用SOI襯底的硅/氧化硅的界面反射，設計了共振增強的高速硅基鍺探測器，器件的結構如圖1（b）所示。目前，傳統結構和共振腔增強結構的硅基鍺面入射光電探測器，已經進入產業化階段，在市場上出現了10 G和25 G硅基鍺探測器產品。

近幾年利用鍺表面的結構化來對入射光的光場進行調制，在較薄層的鍺中增強光吸收的方案逐漸進入人們的視野，但目前大多處于理論模擬階段。，鍺結構表面化也可能會引起器件其他性能的劣化，如暗電流增大、器件對入射光偏振和角度敏感等問題，需要進一步地探索和創新。

圖1 具有共振腔增強結構的硅基鍺面入射探測器結構示意圖

波導耦合硅基鍺探測器

為了滿足硅基光電子集成芯片發展的需求，波導耦合型光電探測器逐漸成為硅基光電探測器的研究重點，器件中光的入射方向與載流子的輸運方向垂直，從而可以基本解除響應度與帶寬的相互制約，在提高帶寬的同時也可以保證相對較高的器件響應度。最初的波導耦合結構為butt耦合型，鍺光電探測器的鍺吸收層材料與硅波導直接對接，來自硅波導的光直接入射端側的鍺吸收層，從而實現對光的探測，耦合結構如圖2（a）所示。然而，波導butt耦合型光電探測器的制備工藝復雜，鍺外延區需要對硅進行刻蝕或腐蝕，刻蝕后的硅表面狀態將影響鍺外延層的質量，外延鍺之后，一般還需要進行鍺的化學機械拋光等復雜工藝。

圖2 波導探測器光耦合的方式

波導耦合光電探測器的另一種常見結構是消逝場耦合結構，鍺吸收材料處于硅波導的上方，來自硅波導的光信號到達鍺吸收材料下方后，光將通過消逝場耦合進入折射率比硅大的鍺吸收層，實現對光的吸收探測，耦合結構如圖2（b）所示。倏逝波導耦合型PIN結光電探測器可以分為縱向和橫向PIN結構?？v向PIN結構的器件，結平面與器件表面平行，制備工藝簡單，與其他硅基光電子器件兼容性好，應用比較廣泛。中科院半導體研究所通過自行設計的UHV/CVD研制出具有25通道的硅基波分復用集成光接收芯片，其中的硅基鍺探測器采用縱向PIN結構，結構示意圖如圖3（a）所示。

具有縱向PIN結的探測器，鍺材料頂部需要制備金屬電極以形成歐姆接觸，因此鍺的尺寸比較大，器件電容偏大，帶寬受到限制。此外，鍺中的光信號在金屬電極處有光場分布，不可避免地會造成金屬吸收，從而降低器件的響應度。具有橫向PIN結的消逝波耦合光電探測器，光吸收區很小，且金屬遠離光場，可以避免以上兩個問題，通常具有更高的帶寬和更好的響應度，代價則是需要提高器件制備精度和引入相對復雜的工藝步驟。2016年，根特大學Chen等報道了3 dB帶寬為67 GHz的波導耦合型橫向PIN結硅基鍺光電探測器，圖3（b）為該器件結構示意圖。

圖3 消逝波耦合的器件結構示意圖

提高探測器的帶寬主要通過降低器件RC和渡越時間來實現。然而，探測器是電容性器件，通過匹配合適的電感，可以在特定頻率上補償探測器的電容效應，從而提高器件的帶寬。2012年，Gould等提出可利用電感增益峰值技術來提高光電探測器的帶寬。在探測器電極的制作過程中加入集成螺旋電感，通過電感值抵消探測器的寄生參數對頻率響應的影響，進而提高光電探測器的3 dB帶寬。

此外，相比于沒有集成電感的器件，集成電感的器件可以實現更清晰的眼圖。盡管如此，在光通信應用中，硅基鍺探測器通常需要和跨阻放大器（TIA）直連，將電信號轉化為光信號。集成電感雖然可以在特定的頻率范圍內提高硅基鍺探測器的3 dB帶寬，并將器件從容性轉化為感性，但是這可能會對探測器和TIA的匹配以及信號的傳輸產生一定的不良影響，還需要更多的研究。

總結與展望

硅基鍺光電探測器經過二十多年的發展逐漸趨于成熟。面入射硅基鍺光電探測器受光面尺寸限制，器件尺寸較大，帶寬受限，因此研究主要集中在降低暗電流，平衡響應度和帶寬方面。目前面入射硅基鍺光電探測器已逐漸從科研轉向產業化，借助于硅光成熟的大尺寸晶圓制造工藝，器件在可靠性、良率和成本等方面具有優勢。對于波導耦合的硅基鍺光電探測器，其暗電流、響應度和帶寬性能顯著優于面入射硅基鍺探測器，研究的重點主要集中在提高器件帶寬。然而，如何在提高帶寬的同時，盡量減少對器件其他參數的影響，均衡提升器件性能非常具有挑戰性，需要更多的努力和創新。

論文信息：

DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2022041001