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GlobalFoundries硅基光电子工艺优化APD提升激光雷达近红外波段灵敏度

摘要

本报告总结了在商用硅基光电子工艺中制造的硅基锗（Ge-on-Si）雪崩光电二极管（APD）提高灵敏度的研究成果[1]。该研究设计并测试了具有独立吸收、充电和倍增（Separate Absorption，Charge，and Multiplication，SACM）区域的APD。通过增加倍增区域的宽度，降低了噪声电流，在940nm波长下提高了信噪比。目标应用是室内LiDAR三维成像的全息飞行时间传感器。

简介

将CMOS电子技术和硅基光电子技术集成在一块芯片上的集成光电芯片（EPIC），正在支持通信、成像、传感和LiDAR等广泛应用[2]。能够高效将光信号转换为电信号的光检测器，是这种集成电路的关键组成部分。尽管大量研究致力于提高光检测器的带宽，但提高灵敏度对需要高信噪比（SNR）的LiDAR等应用更为重要，这直接关乎系统的检测范围[3]。

在SOI硅基板上外延生长的锗雪崩光电二极管（APD），利用了锗较低的带隙，提高了近红外波段的光电转换效率。在雪崩工作模式下，APD内部的光增益机制可以进一步放大光生电荷，增大光电流[4]。但是，锗中的自由载流子浓度较高，也导致增加了噪声电流，降低了信噪比。本报告总结通过实验方法，改进了商业硅光子工艺中Ge-on-Si APD的灵敏度，目标应用是使用低成本VCSEL激光器的室内LiDAR三维成像系统[图1]。

图1 （a）使用光栅耦合的Ge-on-Si APD构建全息飞行时间传感器，用于室内LiDAR三维成像。（b） SACM结构Ge-on-Si APD器件示意图，相关设计参数标注于图中 [1] 。

APD设计与噪声优化

Ge-on-Si独立吸收、充电和倍增（SACM）APD包含锗吸收区、p型掺杂的充电层和无掺杂的倍增层三个区域[图1b] 。来自锗吸收层的光生电子快速穿过充电层，进入高场的倍增区域，在此发生碰撞电离现象，产生更多电子空穴对，实现电流增益[5]。APD的带宽与噪声电流与倍增层的宽度WMult相关：

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通过增加W_Mult，可以降低APD的带宽BW_APD和等效噪声带宽BW_n，由此降低噪声电流，提高信噪比。此外，更宽的W_Mult也减小了结电容，这降低了馈入跨阻放大器的噪声[6]。

实验测量

在GlobalFoundries 90nm硅基光电子工艺中，制作了一批W_Mult为100-300nm、充电层宽度为50-80nm的Ge-on-Si SACM APD器件[2]。图2展示了在940nm 激光照射下，吸收区长度L_Ge为10μm和100μm的器件的测试结果。当WMult从200nm增加到300nm时，在反向偏压大于2V条件下，信噪比提高了大于6dB;但随着偏压继续增加，信噪比反而降低，这表明过剩噪声开始增大。相比之下，改变充电层宽度对信噪比的影响较小。尽管更窄的充电层具有更高的增益，但这并没有直接带来更好的信噪比。

图2 （a）灵敏度最优的器件，实线表示L_Ge=10μm，虚线表示L_Ge=100μm的I-V曲线; （b）-（c）分别按W_Mult和充电层宽度分类的APD器件的光电增益和信噪比。* W_Mult=100nm器件的反向偏压受可靠性限制，上限为4V [1] 。

结论

增加SACM Ge-on-Si APD中固有区域的宽度W_Mult，可以有效改善近红外波段下的信噪比。降低的噪声水平，使全息LiDAR三维成像系统的检测距离更远。本报告中的研究为器件几何结构的进一步优化奠定了基础。

参考文献

[1] J. Rollinson， A. Chowdhury， R. Karlicek and M. Hella， "Ge-on-Si APD in Commercial Foundry Process for Near-Infrared Sensing，" 2023 IEEE Silicon Photonics Conference （SiPhotonics）， Washington， DC， USA， 2023， pp. 1-2， doi： 10.1109/SiPhotonics55903.2023.10141909.

[2] K. Giewont et al.， “300-mm monolithic silicon photonics foundry technology，” IEEE J. Sel. Top. Quant.， 2019.

[3] J. Liu et al.， “A review on the recent progress of silicon-on-insulator-based photodetectors，” physica status solidi （a）， 2021.

[4] G. Dehlinger et al.， “High-speed Germanium-on-SOI lateral PIN photodiodes，” IEEE Phot. Tech. L.， 2004.

[5] N. J. D. Martinez et al.， “High performance waveguide-coupled Ge-on-Si linear mode avalanche photodiodes，” Opt. Express， 2016.

[6] E. Säckinger， Analysis and Design of Transimpedance Amplifiers for Optical Receivers. Wiley， 2018.