硅基光電探測器是硅基光電子中的關(guān)鍵器件，其功能是將光信號轉(zhuǎn)換為易于存儲和處理的電信號。由于鍺可以實現(xiàn)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(jù)麥姆斯咨詢報道，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室的研究團(tuán)隊介紹了面入射和波導(dǎo)耦合兩類常見硅基鍺光電探測器的研究進(jìn)展，包括典型的器件結(jié)構(gòu)以及提升響應(yīng)度和帶寬等性能的主要途徑。相關(guān)研究內(nèi)容以“硅基鍺PIN光電探測器的研究進(jìn)展”為題發(fā)表在《半導(dǎo)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(jù)光入射方式的不同，主要分為面入射和波導(dǎo)耦合兩種器件結(jié)構(gòu)，適用于不同的應(yīng)用場景。面入射結(jié)構(gòu)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(dǎo)結(jié)構(gòu)硅基鍺光電探測器易與其他光波導(dǎo)器件集成，適用于片上光互連等應(yīng)用。

面入射結(jié)構(gòu)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(yīng)度與光吸收層厚度密切相關(guān)，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(yīng)度與響應(yīng)速度之間存在著相互制約的關(guān)系。想要獲得高的響應(yīng)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(yīng)速度。反之，為了實現(xiàn)高的響應(yīng)速度，需要減小鍺吸收層的厚度，這就會降低響應(yīng)度。

利用垂直方向上的界面反射形成共振腔結(jié)構(gòu)，可以在特定的波長實現(xiàn)共振增強(qiáng)吸收，從而緩解面入射光電探測器響應(yīng)度與響應(yīng)速度的互相制約關(guān)系。2005年，波士頓大學(xué)與MIT合作研制出SOI襯底上的鍺共振腔光電探測器，器件結(jié)構(gòu)簡要示意圖如圖1（a）所示。2016年，中科院半導(dǎo)體所利用SOI襯底的硅/氧化硅的界面反射，設(shè)計了共振增強(qiáng)的高速硅基鍺探測器，器件的結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。目前，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)和共振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的硅基鍺面入射光電探測器，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，在市場上出現(xiàn)了10 G和25 G硅基鍺探測器產(chǎn)品。

近幾年利用鍺表面的結(jié)構(gòu)化來對入射光的光場進(jìn)行調(diào)制，在較薄層的鍺中增強(qiáng)光吸收的方案逐漸進(jìn)入人們的視野，但目前大多處于理論模擬階段。，鍺結(jié)構(gòu)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(jìn)一步地探索和創(chuàng)新。

圖1 具有共振腔增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的硅基鍺面入射探測器結(jié)構(gòu)示意圖

波導(dǎo)耦合硅基鍺探測器

為了滿足硅基光電子集成芯片發(fā)展的需求，波導(dǎo)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(yīng)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(yīng)度。最初的波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)為butt耦合型，鍺光電探測器的鍺吸收層材料與硅波導(dǎo)直接對接，來自硅波導(dǎo)的光直接入射端側(cè)的鍺吸收層，從而實現(xiàn)對光的探測，耦合結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。然而，波導(dǎo)butt耦合型光電探測器的制備工藝復(fù)雜，鍺外延區(qū)需要對硅進(jìn)行刻蝕或腐蝕，刻蝕后的硅表面狀態(tài)將影響鍺外延層的質(zhì)量，外延鍺之后，一般還需要進(jìn)行鍺的化學(xué)機(jī)械拋光等復(fù)雜工藝。

圖2 波導(dǎo)探測器光耦合的方式

波導(dǎo)耦合光電探測器的另一種常見結(jié)構(gòu)是消逝場耦合結(jié)構(gòu)，鍺吸收材料處于硅波導(dǎo)的上方，來自硅波導(dǎo)的光信號到達(dá)鍺吸收材料下方后，光將通過消逝場耦合進(jìn)入折射率比硅大的鍺吸收層，實現(xiàn)對光的吸收探測，耦合結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。倏逝波導(dǎo)耦合型PIN結(jié)光電探測器可以分為縱向和橫向PIN結(jié)構(gòu)?？v向PIN結(jié)構(gòu)的器件，結(jié)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(yīng)用比較廣泛。中科院半導(dǎo)體研究所通過自行設(shè)計的UHV/CVD研制出具有25通道的硅基波分復(fù)用集成光接收芯片，其中的硅基鍺探測器采用縱向PIN結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3（a）所示。

具有縱向PIN結(jié)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(yīng)度。具有橫向PIN結(jié)的消逝波耦合光電探測器，光吸收區(qū)很小，且金屬遠(yuǎn)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(yīng)度，代價則是需要提高器件制備精度和引入相對復(fù)雜的工藝步驟。2016年，根特大學(xué)Chen等報道了3 dB帶寬為67 GHz的波導(dǎo)耦合型橫向PIN結(jié)硅基鍺光電探測器，圖3（b）為該器件結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 消逝波耦合的器件結(jié)構(gòu)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(xiàn)。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(bǔ)償探測器的電容效應(yīng)，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(shù)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(shù)對頻率響應(yīng)的影響，進(jìn)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(xiàn)更清晰的眼圖。盡管如此，在光通信應(yīng)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(zhuǎn)化為光信號。集成電感雖然可以在特定的頻率范圍內(nèi)提高硅基鍺探測器的3 dB帶寬，并將器件從容性轉(zhuǎn)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(chǎn)生一定的不良影響，還需要更多的研究。

總結(jié)與展望

硅基鍺光電探測器經(jīng)過二十多年的發(fā)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(yīng)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(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)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(yōu)勢。對于波導(dǎo)耦合的硅基鍺光電探測器，其暗電流、響應(yīng)度和帶寬性能顯著優(yōu)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(shù)的影響，均衡提升器件性能非常具有挑戰(zhàn)性，需要更多的努力和創(chuàng)新。

論文信息：

DOI: 10.16818/j.issn1001-5868.2022041001