美国AIM Photonics教程|硅基光电子技术的光电探测器原理入门与应用
光电探测器是将光功率转换为电流的器件，本文精选了AIM Photonics教程中的光电探测器的基础知识及其在光电芯片 （PIC） 中的工作原理，重点介绍了硅基锗（Ge-on-Si）PIN 光电探测器，及该器件在硅基光电子技术中的广泛应用。如图 1 所示，光电探测器通常由一个吸收光并产生自由电荷载流子（电子和空穴）的有源区组成。外加电压可将这些电荷载流子扫出有源区，从而产生可测量的电流变化。
图 1：光电探测器原理图硅在电信波长下是透明的，但在此波长范围内对光的吸收能力较差，因此不适合用于高效光电检测。硅基光电子探测器的材料和方法多种多样，包括 III-V 键合、等离子体吸收、表面态吸收和亚带隙硅探测。不过，最流行的方法是使用外延锗（Ge），它在电信波段具有吸收性，与 CMOS 兼容，可提供小型、快速、响应灵敏和低功耗的探测器。PIN 二极管是一种在 p 型和 n 型区域之间夹有未掺杂本征区域的器件，如图 2 所示。它是光电探测器、太阳能电池、衰减器和射频开关的基础。图 2：PIN 光电探测器
在 PIN 光电探测器中，器件在反向偏压下工作，p-触点上施加负电压。这会在本征区形成一个大的耗尽区，其作用类似于一个具有近乎均匀电场的平行板电容器。本征区吸收的光子产生电子-空穴对，电场将这些电荷载流子扫出耗尽区，产生光电流。图 3：PIN 光电探测器
硅基光电子技术中使用的主要光电探测器是硅基锗 PIN 光电探测器，其中锗被外延生长或沉积在硅波导的顶部。图 4 显示了这种探测器的截面图，光线最初被限制在硅波导中，然后耦合到锗中进行吸收。图 4：硅基锗 PIN 光电探测器
硅和锗区域的宽度、高度和长度以及掺杂浓度是影响探测器性能的重要设计参数。较大的探测区域会使探测行为高度多模化，因此通常使用 FDTD 仿真来研究探测行为。
图 5：模拟几何截面和俯视图
这些 FDTD 仿真显示了硅基锗光电探测器中的吸收功率分布，表明当光线在锗层中传播时，吸收呈指数趋势。响应率是探测器将光功率（P）转换为电流（I）效率的度量，定义为 R = I/P（单位：A/W）。它同时反映了光电探测器的光吸收和电传输特性。最大理论响应率由量子效率 （η）设定，量子效率是入射光子被吸收并产生到达电触点的光电子的概率。响应率的计算公式如下：其中 q 是电子电荷，λ 是波长，h 是普朗克常数，c 是光速。最大量子效率为 100% 相当于 1550 纳米波长下 1.25 A/W 的响应率。
图 6：响应率响应率随偏置电压的变化迅速上升到一个水平值，典型的反向偏置电压约为 -1V。如图 8 所示，随着探测器长度的增加，响应率也呈光吸收趋势。
图 7：响应度与偏置电压的关系响应率主要取决于锗的吸收系数，而吸收系数与波长有关。不过，由于锗层和硅层之间存在拉伸应变，硅基外延锗的吸收系数高于块状锗，因此可以在较短的探测器中实现较高的响应率。
图 8：响应率与长度/宽度/高度的关系暗电流是探测器在没有输入光功率时的电流。它由两个部分组成：Id = Jbulk * A + Jsurf * （4πA）其中，Jbulk 是大体电流密度（由于肖克利-雷德-霍尔效应），A 是探测器面积，Jsurf 是表面电流密度（由于表面缺陷）。在低偏置电压（~1V）下，体电流密度是恒定的，而表面电流密度项导致暗电流随探测器面积线性增加。
图 9. 暗电流如图 11 所示，暗电流与探测器长度成线性关系，并随偏置电压的增加而增加。尽量减小暗电流非常重要，因为暗电流会对测量的光电流产生噪声，尽管稳态分量可以减去。带宽表征了探测器对输入强度变化的响应速度，通常由 3dB 点来指定，在该点，功率从峰值（通常是 CW 值或稳态值）降低 3dB。Ge 光电探测器的带宽可达 100 GHz。
图 10. 传输时间f3dB = 1 / （1/frc + 1/ftransit）
图 11：带宽示例图 13 显示了一个 10 μm 长探测器的带宽示例，带宽约为 30 GHz，反向偏压为-1V，输入功率为 1 mW。然而，接触几何形状和金属布线等实际因素可能会限制实际器件的带宽。硅基锗光电探测器有两种标准方向：横向（水平）和垂直。横向方向可以避开硅-锗界面，但需要较高的偏置电压，而垂直方向则允许较低的偏置电压，但暗电流可能较大。
图 12. 设计光电探测器本教程重点介绍更为常见的垂直方向。图 15 显示了典型垂直硅基 Ge-on-Si 光电探测器的截面图，并标出了各种设计参数。
图 13. 光电探测器横截面硅波导和锥体： 硅波导限制输入光，输入光通过锥面耦合到锗层。
掺 P 硅区域： 该区域为 PIN 二极管提供 p 接点。它可能包含多种掺杂水平，以促进电接触并降低电阻。
本征锗层： 这是主要吸收区，光子在此产生电子-空穴对。厚度从 200 纳米到 2 微米不等，通常由铸造工艺设定。
掺 N 锗区： 这为 PIN 二极管提供了 n 触点，其掺杂强度和深度由代工厂设定。
金属触点： 这些触点可实现与 p 掺杂硅和 n 掺杂锗区域的电气连接，金属类型和几何形状由代工厂指定。
图 14. 光电探测器横截面图 14 显示了光电探测器的俯视图，突出显示了探测器的长度和锥形长度。探测器长度是决定光吸收和响应度的关键参数，其典型值从 10 微米到 100 多微米不等。在设计硅基 Ge-on-Si 光电探测器时，必须考虑几个性能权衡因素：探测器长度越长，通过增加光吸收来提高响应率，但同时也会增加暗电流，从而增加噪声。反之，长度越短，暗电流越小，但响应速度也会降低。由耗尽区形成的检测器电容随检测器面积（长度 × 宽度）线性增加。面积越大，电容越大，RC 带宽越小。硅和锗区域的掺杂水平越高，串联电阻越低，带宽越大。然而，过度掺杂会增加暗电流和自由载流子吸收损耗。这些权衡凸显了通过模拟和实验进行仔细优化以达到特定性能目标的必要性。要准确模拟光电探测器的频率响应和带宽，需要一个等效电路模型。图 17 显示了一个典型模型，包括以下组件：
图 15. RC 滤波器响应串联电阻 Rs 和结电容 C 主要决定了 RC 滤波器的响应 frc，从而限制了高频带宽。最小化 Rs 和 C 对于实现高速运行很重要。设计满足特定性能要求的光电探测器通常涉及设计-制造-测试的迭代工作流程：1.根据目标规格和代工厂设计规则设置初始设计参数
2.执行 FDTD 和链路仿真，以预测响应度、暗电流和带宽等性能指标
3.使用代工工艺制造所设计的光电探测器
4.对制造的器件进行实验表征
5.根据测量性能完善设计参数，并重复上述循环
这种工作流程允许逐步优化和权衡探索，以满足所需的规格要求。对于许多应用而言，使用代工厂的工艺设计套件 （PDK） 提供的预设计光电探测器就足够了，无需再进行定制设计。本文介绍了光电探测器的基本原理，重点是硅基光电子技术中使用的硅基锗 PIN 光电探测器。主要内容包括 PIN 二极管的工作原理、硅基锗探测器的结构和设计、响应度、暗电流和带宽等性能指标以及设计注意事项和权衡。光探测器在光电芯片中发挥着重要的作用，能将光信号转换为电流，以便进一步处理或传输。随着硅基光电子技术的不断进步，优化的高性能光电探测器对于电信、数据通信、传感等领域的广泛应用很重要。[1] https://twitter.com/AIMPhotonics
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