PPC905AE101 3BHE014070R0101硅基锗PIN光电探测器的研究进展综述

硅基光电探测器是硅基光电子中的关键器件，其功能是将光信号转换为易于存储和处理的电信号。由于锗可以实现近红外通信波段的光吸收，而且完全兼容硅的CMOS工艺，硅基锗探测器几乎成为硅基光探测的唯一选择。  据麦姆斯咨询报道，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室的研究团队介绍了面入射和波导耦合两类常见硅基锗光电探测器的研究进展，包括典型的器件结构以及提升响应度和带宽等性能的主要途径。相关研究内容以“硅基锗PIN光电探测器的研究进展”为题发表在《半导体光电》期刊上。   面入射硅基锗光电探测器  硅基锗探测器根据光入射方式的不同，主要分为面入射和波导耦合两种器件结构，适用于不同的应用场景。面入射结构光耦合简单高效，使用比较灵活，适用于光通信、光互连、光传感的光接收模块等。波导结构硅基锗光电探测器易与其他光波导器件集成，适用于片上光互连等应用。  面入射结构探测器的光入射方向与光吸收的厚度方向以及光生载流子输运方向平行，其响应度与光吸收层厚度密切相关，而吸收层的厚度又决定了光生载流子的渡越时间，因此响应度与响应速度之间存在着相互制约的关系。想要获得高的响应度，就必须增加吸收层的厚度，这就会增加光生载流子的渡越时间，势必会降低器件的响应速度。反之，为了实现高的响应速度，需要减小锗吸收层的厚度，这就会降低响应度。  利用垂直方向上的界面反射形成共振腔结构，可以在特定的波长实现共振增强吸收，从而缓解面入射光电探测器响应度与响应速度的互相制约关系。2005年，波士顿大学与MIT合作研制出SOI衬底上的锗共振腔光电探测器，器件结构简要示意图如图1（a）所示。2016年，中科院半导体所利用SOI衬底的硅/氧化硅的界面反射，设计了共振增强的高速硅基锗探测器，器件的结构如图1（b）所示。目前，传统结构和共振腔增强结构的硅基锗面入射光电探测器，已经进入产业化阶段，在市场上出现了10 G和25 G硅基锗探测器产品。  近几年利用锗表面的结构化来对入射光的光场进行调制，在较薄层的锗中增强光吸收的方案逐渐进入人们的视野，但目前大多处于理论模拟阶段。，锗结构表面化也可能会引起器件其他性能的劣化，如暗电流增大、器件对入射光偏振和角度敏感等问题，需要进一步地探索和创新。