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用于硅基光电子技术的高速光电探测器

摘要

光电探测器将光信号转换为电信号，随着数据传输速率不断提高，与硅基光电子平台集成的高速光电探测器已成为下一代数据中心和电信网络的关键。本文将概述先进的高速光电探测器，重点介绍用于集成光电子技术的硅基锗（Ge/Si）器件。

光探测器简介

光电探测器（PD）将光转换为电信号的光电器件。对于光通信而言，关键性能参数包括：

响应度：产生的光电流与入射光功率的比值
带宽：探测器可工作的最大频率
暗电流：无光时流过的电流
量子效率：产生的电子-空穴对与入射光子的比率

对于集成光电子技术，通常使用波导耦合光电探测器。这些设备将光吸收路径与载流子收集路径分开，从而优化光耦合和电气性能。

锗/硅光电探测器

锗是极具吸引力的材料，可用于硅平台上的近红外光探测，因为与CMOS工艺兼容，且在电信波长下具有极强的吸收能力。最常见的Ge/Si光电探测器结构是p-i-n二极管，其中，本征锗夹在p型和n型区域之间。

器件结构

图1所示为典型的垂直p-i-n Ge/Si光电探测器结构：

图1：垂直p-i-n Ge/Si光电探测器的示意图

主要特征包括：

生长在硅衬底上的锗吸收层
用于收集载流子的p和n接触
用于高效光吸收的波导耦合

外延生长

由于两种材料之间的晶格失配率为4.2%，因此在硅上生长高质量的锗具有挑战性。通常采用两步生长工艺：

低温（300-400°C）缓冲层生长
高温（600°C以上）沉积锗

这种方法有助于控制晶格失配导致的穿线位错。在800-900°C的温度下进行生长后退火，可进一步将穿线位错密度降低至约10^7 cm^-2。

性能特点

最先进的Ge/Si p-i-n光电探测器可以达到：

响应度：1550 nm时>0.8 A/W
带宽：>60 GHz
暗电流：在-1 V偏压下<1 μA

图2显示了典型的响应度和带宽特性：

图2：高速Ge/Si光电探测器的响应度和带宽

雪崩光电探测器

雪崩光电探测器（APD）可通过撞击电离提供内部增益，从而提高接收器的灵敏度。Ge/Si APD特别具有吸引力，因为它们将Ge的强吸收性与Si的卓越倍增特性结合在一起。

器件结构

常见的Ge/Si APD设计是图3所示的分离吸收、电荷和倍增（SACM）结构：

图3：Ge/Si SACM雪崩光电探测器的示意图

主要特征包括：

锗吸收层
用于控制电场的硅电荷层
用于低噪声雪崩增益的硅倍增层

性能特点

最先进的Ge/Si APD可以达到：

增益带宽积：>300 GHz
灵敏度：25 Gb/s 时为 -23 dBm（BER = 10^-12）
暗电流：击穿电压的90%时<1μA

图4显示了典型的增益和灵敏度特性：

图4：高速Ge/Si APD的增益和灵敏度

与硅基光电子平台集成

将高速光电探测器与硅基光电子平台集成，可实现先进的光收发器和互连。两种主要的集成方法如下：

前端集成（FEOL）

光电探测器与晶体管在硅基板上同时制造
允许高温处理，但会占用芯片面积

后端集成（BEOL）

光电探测器在金属上层制造
避免与CMOS发生干扰，但限于较低的处理温度

图5展示了这些集成方案：

图5：光子器件与CMOS的FEOL和BEOL集成

先进的光电探测器概念

为了进一步提高光电探测器的性能，我们正在探索一些先进的概念：

行波光电探测器

传输线上的分布式吸收
能够实现高带宽和高饱和功率

单载波光探测器

只有一种载流子类型产生光电流
减少空间电荷效应，提高大功率运行性能

Ge/SiGe 多层 APD

经过设计的带结构，可增强空穴撞击电离
与硅倍增器相比，具有更低电压工作的潜力

数据中心应用

高速光电探测器是下一代数据中心互连的关键组件。主要应用包括：

光收发器

100G、400G及更高速率，使用PAM-4调制
需要高带宽光电探测器（>50 GHz）

硅基光电子集成电路

探测器与调制器及其他组件的单片集成
实现紧凑、高性能的光学引擎

分散式架构

分散式计算、存储和存储之间的光互连
推动对高能效、高带宽光电探测器的需求

未来展望

集成光电子高速光电探测器的未来将呈现以下几个趋势：

更高的数据传输率

推动800G和1.6T收发器的发展
需要带宽超过100 GHz的光电探测器

集成度提高

III-V材料与硅的单片集成
先进的3D集成技术

新材料

探索二维材料（如石墨烯）用于超快光探测
新型第四族合金，用于扩展波长覆盖范围

新兴应用

激光雷达和其他传感应用推动了APD的发展
需要高线性度光电探测器的微波光子应用

结论

高速光电探测器，特别是Ge/Si器件，已成为硅基光电子和下一代光通信的关键推动力。材料、器件设计和集成技术的持续进步对于满足未来数据中心和电信网络日益增长的带宽需求重要。随着该领域的不断发展，我们可以期待看到具有更高带宽、更低噪声以及与电子和光子电路无缝集成的光电探测器。

参考资料

[1] M. Glick, L. Liao, and K. Schmidtke, Integrated Photonics for Data Communication Applications. Elsevier, 2023.