硅基鍺PIN光電探測(cè)器的研究進(jìn)展綜述

硅基光電探測(cè)器是硅基光電子中的關(guān)鍵器件，其功能是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為易于存儲(chǔ)和處理的電信號(hào)。由于鍺可以實(shí)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(cè)器幾乎成為硅基光探測(cè)的唯一選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)介紹了面入射和波導(dǎo)耦合兩類常見硅基鍺光電探測(cè)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?jī)?nèi)容以“硅基鍺PIN光電探測(cè)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(cè)器

硅基鍺探測(cè)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(chǎng)景。面入射結(jié)構(gòu)光耦合簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(yùn)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(shí)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(huì)增加光生載流子的渡越時(shí)間，勢(shì)必會(huì)降低器件的響應(yīng)速度。反之，為了實(shí)現(xiàn)高的響應(yīng)速度，需要減小鍺吸收層的厚度，這就會(huì)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(zhǎng)實(shí)現(xiàn)共振增強(qiáng)吸收，從而緩解面入射光電探測(cè)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(cè)器，器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)了共振增強(qiáng)的高速硅基鍺探測(cè)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(cè)器，已經(jīng)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化階段，在市場(chǎng)上出現(xiàn)了10 G和25 G硅基鍺探測(cè)器產(chǎn)品。

近幾年利用鍺表面的結(jié)構(gòu)化來對(duì)入射光的光場(chǎng)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(huì)引起器件其他性能的劣化，如暗電流增大、器件對(duì)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(cè)器結(jié)構(gòu)示意圖

波導(dǎo)耦合硅基鍺探測(cè)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(cè)器逐漸成為硅基光電探測(cè)器的研究重點(diǎn)，器件中光的入射方向與載流子的輸運(yùn)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(shí)也可以保證相對(duì)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(cè)器的鍺吸收層材料與硅波導(dǎo)直接對(duì)接，來自硅波導(dǎo)的光直接入射端側(cè)的鍺吸收層，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光的探測(cè)，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(cè)器的制備工藝復(fù)雜，鍺外延區(qū)需要對(duì)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(cè)器光耦合的方式

波導(dǎo)耦合光電探測(cè)器的另一種常見結(jié)構(gòu)是消逝場(chǎng)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(hào)到達(dá)鍺吸收材料下方后，光將通過消逝場(chǎng)耦合進(jìn)入折射率比硅大的鍺吸收層，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的吸收探測(cè)，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(cè)器可以分為縱向和橫向PIN結(jié)構(gòu)。縱向PIN結(jié)構(gòu)的器件，結(jié)平面與器件表面平行，制備工藝簡(jiǎn)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(jì)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(cè)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(cè)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(hào)在金屬電極處有光場(chǎng)分布，不可避免地會(huì)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(cè)器，光吸收區(qū)很小，且金屬遠(yuǎn)離光場(chǎng)，可以避免以上兩個(gè)問題，通常具有更高的帶寬和更好的響應(yīng)度，代價(jià)則是需要提高器件制備精度和引入相對(duì)復(fù)雜的工藝步驟。2016年，根特大學(xué)Chen等報(bào)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(cè)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(cè)器的帶寬主要通過降低器件RC和渡越時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。然而，探測(cè)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(cè)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(cè)器的帶寬。在探測(cè)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(cè)器的寄生參數(shù)對(duì)頻率響應(yīng)的影響，進(jìn)而提高光電探測(cè)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(shí)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(cè)器通常需要和跨阻放大器（TIA）直連，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)。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(cè)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(huì)對(duì)探測(cè)器和TIA的匹配以及信號(hào)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(cè)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(cè)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(cè)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(shì)。對(duì)于波導(dǎo)耦合的硅基鍺光電探測(cè)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(cè)器，研究的重點(diǎn)主要集中在提高器件帶寬。然而，如何在提高帶寬的同時(shí)，盡量減少對(duì)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