技术分享 | 高速光电探测器的研究进展

1  引  言

随着现代移动互联网的发展，信息传输量呈指数型增长，电互连显示出其局限性，难以满足信息系统中海量数据传输对带宽和速率的需求。光互连以光子为信息传输媒介，以其低损耗大带宽的优势，逐渐取代电互连，成为中长距离低损耗传输的主流技术。完整的 光互连通信系统由光发射端、光传输链路和光接收端构成 ，其中光电探测器（PD）是光 接收端的核心器件。光电探测器的核心指标主要有响应度、暗电流和3dB带宽等，其中3dB 带宽直接决定了器件的工作速度上限。光电探测器的3dB带宽主要由载流子渡越时间受限带宽 fT 和器件电阻-电容（RC）受限带宽 fRC 共同决定，光电探测器3dB带宽的估算公式为：

式中：vsat 是材料中光生载流子的饱和漂移速度；di 是探测器的本征区宽度；C 为器件的电容（包括结电容和寄生电容）；RL 和 RS 分别为负载电阻（通常为 50 Ω）和串 联电阻。由式（1）可知，为了增大探测器的3dB带宽、 实现高速光电探测器，需要同时增加器件的载流子渡越时间受限带宽和 RC 受限带宽。增加载流子渡越时间受限带宽最简单的方式是减小本征区的宽度，而增加 RC 受限带宽最常见的途径是缩小器件尺寸、降低结电容。然而，光电探测器中带宽和响应度之间存在着制约关系，即减小探测器本征区宽度和器件尺寸会 引起材料的光吸收不充分，导致响应度的降低。面入射光电探测器由于其入光方向平行于载流子的传输方向，带宽和响应度之间的制约会更加严重。虽然面入射光电探测器的光耦合简单高效，使用比较灵活，适用于器件分立使用的光通信、光互连、光传感的光接收模块等，但由于其受光面尺寸的限制，以及响应度和带宽之间的制约，通常难以实现实用化（受光面直径不小于16μm）的高速光电探测器。当前，商用面入射探测 器的最大带宽普遍在35GHz左右 ，可应用于56Gbaud的场景。波导（WG）耦合型探测器由于光传播方向与载流子渡越方向相垂直，可以大幅缓解响应度和带宽之间的制约，进而实现更高速的光探测。且波导耦合结构的光电探测器易于与其他光波导器件集成，更适合片上光互连等应用。因此，基于波导耦合结构的光电探测器是本文介绍的重点。光 通 信 领 域 的 高 速 光 电 探 测 器 主 要 有 III-V 族 InGaAs光电探测器和IV族 全Si和Ge/Si光电探测器。前者是传统的近红外探测器，长期以来占据主导地位，后者则依托硅光技术成为后起之秀，是近年来国际光电子研究领域的热点。此外，基于钙钛矿、有机及二维材料等的新型探测器由于加工便捷、柔韧性好、性能可调谐等优点发展迅速。这些新型探测器与传统的无机光电探测器在材料特性和制造工艺上存在显著差异。钙钛矿材料探测器具有优异的光吸收特性和高效的电荷传输能力，有机材料探测器则以其低成本和柔性电子得到广泛应用，二维材料探测器则因其独特的物理性质和高载流子迁移率而备受关注。然而，与 InGaAs 和 Si/Ge 探测器相比，新型探测器在长期稳定性、制造成熟度和集成性等仍需改进。因此，本文根据材料体系和器件结构，分别对以上光电探测器进行简单介绍。

2  InGaAs 光电探测器

InGaAs 是实现高响应高速光电探测器的理想材 料之一。首先，InGaAs 是直接带隙半导体材料，并且 其带隙宽度可以通过 In 和 Ga 之间的比例进行调控，实现对不同波长光信号的探测。其中，In0.53Ga0.47As 与 InP 的衬底晶格完全匹配，且在光通信波段具有很大 的光吸收系数，在光电探测器制备中应用最为广泛，暗 电流和响应度性能也最为出色。其次，InGaAs 和 InP 材料都具有较高的电子漂移速度，二者的饱和电子漂 移速度都约为 1×107 cm/s，同时 InGaAs 和 InP 材料 在特定电场下存在电子速度过冲效应，其过冲速度分 别可以达到 4×107 cm/s和 6×107 cm/s，有利于实 现更大的载流子渡越时间受限带宽。目前 InGaAs光电探测器是最主流的光通信用光电探测器，在市场上 以面入射的耦合方式居多，25 Gbaud/s 和 56 Gbaud/s 的面入射探测器产品已经实现了国产化。更小尺寸、背入射、大带宽的面入射探测器也被研制出来，主要适 合高速高饱和等方面的应用。然而，面入射探 测器受其耦合方式的限制，难以与其他光电器件集成。因此，随着光电子集成化需求的提升，性能优秀且适用 于集成的波导耦合 InGaAs 光电探测器逐渐成为研究 重点，其中商用 70 GHz 和 110 GHz 的 InGaAs 光电探 测器模块几乎都是采用波导耦合结构。根据衬底材料 的 不 同 ，波 导 耦 合 InGaAs 光 电 探 测 器 主 要 可 以 分 为 InP 基和 Si 基两类。在 InP 衬底上外延的材料质量高，更适合高性能器件的制备。而在 Si 衬底上生长或键 合的 III-V 族材料、InGaAs 材料与 Si 衬底之间的各种 失配，导致材料或界面质量相对较差，器件的性能仍然 有较大的提升空间。

2.1 波导耦合 InP 基 InGaAs 探测器

InP 基 InGaAs 探测器常见的结构为 PIN 结构，通过在 PN 结中引入一层掺杂浓度很低的本征区（i 区）， 来提高光电探测器的光电转换效率和响应速度。光从 波导耦合进探测器后，在吸收区被吸收，产生光生电子和空穴。光生电子和空穴在电场的作用下向电极移动，产生光电流。光入射方向和光生载流子的输运方向 垂 直 ，有 效 缓 解 了 响 应 度 和 带 宽 的 制 约 关 系 。在PIN 结构中，InGaAs 材料同时作为吸收区和耗尽区。2007 年 ，Beling 等报 道 了 基 于 PIN 结 构 的 波 导 耦 合高速光电探测器，器件的吸收/耗尽区由 200 nm 的 In0.53Ga0.47As 材料构成，波导器件的尺寸分别为 5 μm× 20 μm 和 4 μm×7 μm，并且采用了 50 Ω 的负载电阻。有源区尺寸为 5 μm×20 μm 的器件带宽为 85 GHz，大 尺寸器件的高速性能主要受限于 RC 时间常数。而有 源区尺寸为 4 μm×7 μm 的器件带宽达到了 145 GHz，但响应度从 0.52 A/W 下降至 0.35 A/W。2015 年，该 课题组又报道了可以工作在 O 波段到 L 波段的波 导耦合 InGaAs 光电探测器。器件在 C 波段和 O 波段 的 响 应 度 分 别 为 0.45 A/W 和 0.5 A/W，在 5 V 的 反 偏 电 压 下 ，暗 电 流 仍 表 现 出 小 于 2 nA 的 优 秀 性 能 。器 件 在 2 V 反 偏 电 压 下 的 3 dB 带 宽 为 130 GHz。对 于 小 尺 寸 的 InP 基 的 PIN 型 光 电 探 测 器 ，器 件 的 RC 受限带宽很大，其带宽主要受到载流子渡越时间的限 制。这是由于吸收区产生的光生电子和空穴都需要 完成渡越，但是空穴的漂移速度却远小于电子的漂移 速 度 ，因 此 空 穴 的 输 运 成 为 制 约 InGaAs 光 电 探 测 器 高 速 性 能 的 主 要 因 素 。PIN 型 结 构 无 法 克 服 空 穴 渡 越时间的限制，同时在强光的照射下，空穴输运缓慢 也会产生堆积，从而屏蔽电场，也不利于提高器件的 饱和性能。为了解决空穴输运的问题，1996 年 Davis 等提 出了仅利用电子在耗尽区完成渡越的结构，即单行载 流子探测器（UTC-PD）。与 PIN 结构不同，UTC-PD 结构中，电子和空穴实现了渡越的分离。本征的吸收 区被 p 型掺杂的 InGaAs 材料替代，当光被耦合进吸收 区后，产生光生电子和空穴。由于在吸收区进行了 p 型掺杂，光生的非平衡空穴仅对该区域的介电平衡产 生一个扰动。在介电弛豫时间内，等效的空穴被 p 电 极收集，恢复介电平衡，即相当于空穴渡越完成，而介 电弛豫时间非常短，此时光生载流子的输运带宽仅由 光生电子的输运时间决定。在 UTC 结构中，电子的输 运包含两个过程，首先通过扩散的方式到达吸收区的 边界，然后在耗尽区的电场下快速漂移并通过耗尽区，被 n 电极收集。相比于 PIN 结构，UTC 结构解决了空 穴渡越缓慢的问题，同时，研究人员不断在 UTC 结构 基础上提出改进，提出 MUTC（modified uni-traveling-carrier）结构 ，其在最初 UTC 结构的基础上进行进一 步 优 化 ，以 提 升 探 测 器 性 能 ，MUTC 很 快 成 为 利 用 InGaAs 材料实现大带宽探测器的首选结构。2007 年，Seeds 课题组报道了 3 dB 带宽为 110 GHz 的倏逝波 耦合型高速探测器。器件为 UTC 结构，采用 120 nm 的 InGaAs 作为光吸收层，300 nm 的 InP 作为耗尽层，在 5 V 的反偏电压下，尺寸为 3 μm×15 μm 的器件带 宽为 110 GHz。在 UTC 结构中，光生载流子首先通过 扩散到达吸收区边界，而采用梯度掺杂则可以使吸收 区在反向电压下耗尽，此时产生的光生电子由之前的 扩散运动变为电场下的漂移运动，减少了光生电子的输运时间。2017 年，Li 等使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）在 InP 衬底上制备了带宽大于 105 GHz的波导耦合高速探测器，器件结构如图 1 所示，吸收区采用了梯度掺杂的 InGaAs 材料。器件以 InGaAsP 代替 InP 作为耗尽区材料，这虽然在一定程度上降低了电子的饱和漂移速度，但改善了入射光从波导向吸收 区的耦合，同时去除了 InGaAsP n 型接触层，p 型台面 的每侧都形成了一个小缝隙，有效地增强了对光场的 约束，有利于器件获得更高的响应度。表 1 中总结了 InP 基 InGaAs 波导探测器的结构和性能。

图 1 波导型 MUTC 探测器。（a）波导探测器的外延层结构示意图；（b）探测器结构示意图；（c）探测器的 SEM 图像 Fig. 1 WG MUTC PD[25]. (a) Epitaxial layers of WG PD; (b) schematic diagram of PD; (c) SEM image of PD

除通过优化器件结构减少载流子输运时间之外， RC 常数对探测器带宽的限制也十分关键。为了追求 超高速的性能，器件的耗尽区通常较薄，这也造成了器件的电容变大，因此通过设计合适的电极传输结构补 偿电容和优化频率响应也变得尤为重要。2023 年，Li 等报道了使用高阻抗传输线引入电感的波导耦合 MUTC 高速探测器。高阻抗传输线将电感集成到探 测 器 电 路 中 ，在 80GHz 左 右 产 生 峰 值 效 应 ，尺寸 为2μm×10 μm 的器件带宽从 100GHz 增大至 125GHz。2024 年，该课题组又报道了带宽达 220GHz 的 InP基波导耦合高速探测器。为了降低寄生电容，通过在探测器电极下引入苯并环丁烯（BCB），有效地克服了与RC 时间常数相关的带宽瓶颈，尺寸为 2μm×7μm和 2μm×10 μm的器件可以实现超过 220GHz 的3dB 带宽。

2.2 波导耦合 Si 基 InGaAs 探测器

近年来，Si 上异质集成 III-V 族光电探测器受到了广泛关注，不仅可以结合 Si 平台和 InGaAs 材料的优 势，而且可以实现 Si 基片上 III-V 族激光器和探测器的 单片集成。目前，实现异质集成的方案主要有直接外 延和晶圆键合。直接外延生长技术面临的最大挑战是 III-V 族材料与 Si 之间的多重失配。而晶圆键合的器 件对键合过程十分敏感，并且键合技术的良率和稳定 性都有待进一步的提升。直接生长技术是指在 Si 衬底上直接外延生长 III-V 族材料，可以实现非常高的集成度。然而，在 Si 上直接生长 III-V 族化合物并非易事，晶格常数、热膨胀系数和极性的差异会导致位错和反相畴等晶体缺陷。这些晶体缺陷会导致探测器的暗电流增加，削弱探测器的响应和高频特性。经过多年该领域科研人员的不懈努力，反相畴的问题得到了解决，位错密度也大大减小。在 Si 衬底上直接外延 III-V 族化合物半导体的方式主要分为两种：薄膜异质外延和选择性异质外延。薄膜异质外延是直接在 Si 片上大规模沉积 III-V 族化合物，而选择性异质外延则是在预图形化的 Si 衬底上局部沉积 III-V 族化合物。薄膜异质外延相对简单，各种结构的 III-V 探测器都可以制备。但为了提高材料的晶体质量，通常需要较厚的缓冲层，这极大地限制了探测器吸收区和 Si 波导之间的光耦合。采用选择性异质外延生长的材料则避免了这个难题，更加适合波导耦合探测器的制备，但材料外延相对复杂。2012 年，Feng等使用金属有机化学气相沉积在 SOI（silicon-on-insulator）衬底上选择性外延生长了波 导对接耦合型 PIN InGaAs 光电探测器。为了解决外 延材料与衬底的晶格失配问题，首先在图形化衬底上 生长了 GaAs 和 InP 缓冲层，然后在 InP 上生长 InGaAs的光吸收层。在 4 V 的反偏电压下，器件的 3 dB 带宽 为 9 GHz，在 1 V 的反偏电压下，测试器件的暗电流为 2.5 μA，在 1550 nm 波长处响应度为 0.17 A/W。2014 年 ，该 课 题 组 进 一 步 优 化 了 材 料 生 长 方 案 ，提 高 了 材 料 的 晶 体 质 量 ，制 备 的 波 导 光 电 探 测 器 的 带 宽 为 14 GHz。2021 年，Xue 等报道了 3 dB 带宽为 40 GHz 的对接耦合型 III-V 族波导探测器，其工作波长跨度超 过了 400 nm，暗电流为 0.55 nA。相比于 PIN 结构，虽 然 UTC 结构 III-V 族探测器解决了空穴渡越缓慢的问 题，在高速性能上更加具备优势，但 UTC 结构比 PIN 结 构 更 复 杂 ，在 Si 基 上 外 延 生 长 制 备 的 难 度 更 大 。2020 年，Sun 等在 Si 衬底上制备了改进型单行载 流 子型（MUTC）III-V 族探测器，其结构如图 2 所示，使 用分级掺杂的 InGaAs 作为非耗尽吸收层。在 3 V 的 反偏电压下，器件的响应度为 0.78 A/W，3 dB 带宽为 28 GHz。目前光通信系统对探测器的带宽要求越来 越高，而通过直接外延生长制备的 III-V 族波导光电探 测器的带宽受到材料质量的严重制约，远达不到 InP 基同类器件的性能，因此需要进一步提高材料质量才 能突破性能的瓶颈。

图 2 硅基波导型探测器。（a）波导探测器的外延层结构；（b）探测器在-1 V 和-3 V 偏压下的能带图；（c）波导中的光学模式；（d）探测器的光场分布

晶圆键合的方法是将两个目标晶圆的表面进行抛 光，这对表面的平整度要求极高，然后在一定的压力和 温度下将晶圆压在一起，二者的结合是基于范德瓦耳 斯力。相比于直接外延生长的方法，键合的优势在于 这是一种纯粹的物理方法，因此 III-V 族材料的晶体质 量不受影响，其器件性能理论上和直接在 InP 衬底上 生长制备的器件性能相当。2016 年，Shen 等使用键 合制备的高速波导耦合 Si 基 InGaAs 光电探测器，器件的 3dB 带宽测试结果超过了 67GHz。虽然键合的 InGaAs 探测器的性能较好，但器件的稳定性和成品率 都受到键合过程的极大影响，这对键合工艺是极大的挑战。实际上，Si 基键合 III-V 族光电器件一直是研究 热点，但是目前这方面的研究主要集中在 Si 基所缺乏 的片上激光器上，关于键合探测器方面的研究并不多。这主要是由于：随着 CMOS 工艺兼容的 Si 基 Ge 光电探测器的快速发展，在许多应用场景中 Ge 探测器不同 程度地取代了 Si 上键合 InGaAs 探测器。

3  Si 基 IV 族光电探测器

Si 材料的带隙为 1.1 eV，对应的探测截止波长约 为 1100 nm，通常无法实现 1310 nm 和 1550 nm 光纤通 信波段的光探测。研究人员通过引入新的 Si 吸收机理或新的器件结构，也可以实现通信波段的光探测。尽管如此，在 Si 中引入新的光吸收材料，如与 Si 同族的 Ge 材料，仍然是主流的方案。Ge 与 Si 同属于 IV 族半导体材料，其直接带隙为 0.8 eV，对应光电探测器的波长在1550nm 附近 。因 此 ，在Si上异质外延Ge薄膜，以 Ge作为光吸收材料，可以实现 Si 基近红外波段的光探测。采用高低温两步外延法在 Si 衬底上可以直接异质外延生长高质量 Ge 薄膜，这使得 Si 基 Ge探 测 器 的 发 展 进 入 快 车 道 。然 而 ，相 比 于 InGaAs 材料，Ge 材料本身存在一些短板。首先，Ge 和 Si 之间存在着 4.2% 的晶格失配，Si 基 Ge 探测器的暗电流普遍比 InP 基 InGaAs 探测器高 2~3 个量级，这使得 Si 基Ge 探测器难以胜任小暗电流的应用场景；其次，Ge 材料的吸收带在 1550 nm 附近，Ge 材料在 C 波段乃至 L波段的光吸收系数都显著小于 InGaAs，这在面入射高速 Si 基 Ge 探测器中会表现得更为明显，即 C 和 L 波段的光响应度显著低于同类 InGaAs 探测器。尽管存在一 些 短 板 ，Ge 作 为 光 吸 收 材 料 有 其 独 特 的 优 点 。例如，Ge 的饱和漂移速度（约为 6.5×106 cm/s）虽然不及 InGaAs，但 其 电 子 和 空 穴 的 饱 和 漂 移 速 度 差 异 不大，无须采用复杂的 UTC 结构，即可实现高速的光电探测器。此外，Ge 材料完全兼容 Si 的 CMOS 工艺，随着硅光技术的发展，波导耦合 Ge/Si 探测器优秀的高速性能和成熟的工艺流程使其成为目前研究最为广泛的 Si 基 IV 族探测器。

3.1 波导耦合全 Si 光电探测器

受带隙宽度的限制，Si 材料通常无法吸收波长超过1100nm的光，但是研究人员已经发现了多种方法设 计 或 者 改 变 Si 的 吸 收 ，从而实现通信波段的光探测。目前，全 Si 光电探测器的探测机理主要为亚带隙 吸收、双光子吸收、表面态吸收以及光子隧穿辅助效应 等。早在 2003 年，Knights 等报道了杂质注入形 成 PIN 结构后，Si 波导中 C 和 L 波段的光电流显著增 加的现象。与其他类型的探测器相比，全 Si 探测器不 需要进行其他材料的外延生长，这极大地简化了工艺 流程。然而，相比于 Ge/Si 探测器，由于全 Si 探测器光 通信波段的吸收系数比较小，其有源区长度通常比较 长，这会导致结电容变大，影响器件的高速性能。2018 年，Intel 公司报道了 3 dB 带宽为 15 GHz 的波导耦合 全 Si 探测器，见图 3。有源区长度为 300 μm 的器件，在 5.93 V 的反偏电压下的响应度可以达到 1.6 A/W。通过等效电路拟合数据得到器件的串联电阻为 5.8 Ω， 结电容为 183 fF。除此之外，微环结构也被引入全 Si探测器中，利用微环的谐振效应增强吸收，有效减小器 件面积。2020 年，Sakib 等报道了带宽为 35 GHz 的 微环型全 Si 探测器，器件由半径为 10 μm 的环形谐振 器组成，其 PN 结占微环结构的 71%，其余部分用于热 调的控制，以使器件的工作范围覆盖整个 O 波段。器 件在 5.8 V 的反偏电压下的响应度为 0.23 A/W，暗电 流小于 100 nA，并且器件支持 112 Gbit/s 的 PAM-4（4-level pulse amplitude modulation）信 号 传 输 。相 比 于 Ge/Si 光 电 探 测 器 ，全 Si 探 测 器 存 在 器 件 响 应 度 偏 低 、带 宽 偏 小 、工 作 电 压 偏 高 的 问 题 ，性 能 仍 有 待 提 升 。全 Si 探 测 器 的 优 势 在 于 不 需 要 额 外 的 材 料 外 延，加工工艺简单，可靠性高，成为硅光探测的有效方案之一。

图 3 全硅光电探测器。（a）光电探测器的结构示意图；（b）测试的响应度和光暗电流比

3.2 波导耦合 Ge/Si 光电探测器

Ge/Si 光电探测器主要为 PIN 型结构 ，光通过 Si波导耦合进 Ge 吸收区，光入射方向和光生载流子的输 运方向垂直，这有效缓解了响应度和带宽的制约关系。研究早期，Ge/Si PIN 光电探测器的波导耦合结构主 要为对接耦合，吸收区的 Ge 材料直接与 Si 波导对接， 来自波导的光直接入射到 Ge 吸收层，从而实现光探 测。Vivien 等在 2009 年报道了 3 dB 带宽为 42GHz的对接耦合型 Ge/Si 光电探测器，见图 4，器件为纵向 的 PIN 结构 ，Ge 吸收区的长度为 15μm，可以实现对 波长为 1550 nm 光的吸收。在 4V 的反偏电压下，测 试器件的 3dB 带宽为 42GHz，同时在 1550 nm 波长处 的响应度为 1A/W，在 1 V 的反偏电压下，器件的暗电 流为 1μA。为了进一步降低器件的结电容、增大器件 带宽，在 2017 年，该课题组报道了采用横向 PIN 结构 的对接耦合型 Ge/Si 光电探测器。

图 4 对接耦合型 Ge 探测器。（a）光电探测器的结构示意图；（b）光电探测器截面示意图

Ge吸收区长度为40μm的器件在1V的反偏电压下的响应度为1.16A/W，在4V 的反偏电压下 3 dB 带宽为 50GHz。然而，对接耦合型光电探测器的工艺流程复杂，需要先 对 Si 进行刻蚀或者腐蚀，然后进行 Ge 吸收区的外延 生长。外延生长 Ge 的材料质量受到 Si 表面状态的影 响，同时 Ge 区还需要进行化学机械抛光等工艺，这些 复杂的工艺流程不仅会影响探测器的性能，还不利于 光电探测器的集成制备。此外，对接耦合型光电探测 器通常需要顶层 Si 比较厚的 SOI 衬底，而目前硅光器 件最常用的 SOI 衬底顶层 Si 厚度为 22nm，这使得对 接耦合结构与其他硅光器件之间的兼容性较差。另一种波导耦合结构为倏逝波耦合型，Ge 吸收区 位于 Si 波导的正上方，在 Si 波导中传输的光信号到达 Ge 吸收区下方后，由于 Ge 的折射率比 Si 大，光信号通过倏逝场耦合进 Ge 吸收区，从而实现对光的探测。常 见的倏逝波耦合型结构主要分为纵向和横向 PIN 结 构。相比于横向器件，纵向器件 PIN 结的平面与器件 平面平行，制备工艺简单。早在 2007 年，Intel 公司报 道了第一个倏逝波耦合型垂直 PIN 结 Ge/Si 光电探测器，见图 5，Ge 材料通过高低温两步法在 Si 波导上 生 长 ，输 入 光 通 过 底 部 Si 波 导 耦 合 进 Ge 吸 收 区 中 。在 2 V 的反偏电压下，Ge 吸收区长度为 50 μm、宽度为 7.4 μm 的测试器件的暗电流为 169nA，在 1550nm 处 的 响 应 度 为 0.89A/W，3dB 带 宽 为 31.3GHz。更 长 的 测 试 器 件（4.4 μm×100 μm）的 响 应 度 提 高 到 了 1.16 A/W，但 3dB 带宽减小至 29.4GHz。2022 年，本 课题组也研制了高速波导型垂直 PIN 结 Ge/Si 光电探测器。

图 5 垂直 PIN 型 Ge 探测器。（a）集成无源波导的 Ge 探测器示意图；（b）Ge n-i-p 波导探测器的截面示意图；（c）Ge 波导探测器 （7.4 μm×50 μm）的 SEM 截面图；（d）探测器的频率响应曲线

Ge 吸收区采用梯形结构，相比于传统的矩形梯形结构使得光场分布更加均匀，有效缓解了空间电荷效应对器件饱和特性的影响，器件的带宽达到50 GHz，并具有较好的饱和性能。纵向 PIN 结构的器件由于需要在 Ge 吸收区的顶部注入离子形成重掺杂，并且需要布置金属电极形成欧姆接触，同时，为了保证光吸收则需要足够长的光吸收区，因此，器件的尺寸偏大，这影响器件的高速性能。此外，金属电极距离 Ge中光场较近，而金属对光有吸收作用，不可避免地降低了器件的响应度。因此，为了缓解纵向器件中响应度和带宽之间的制约，光吸收区采用环形或盘形结构，这不仅减小了器件尺寸，同时利用光信号在结构中的环形传播达到提高光吸收的作用。Chen 等在 2022 年使 用 约 束 光 场 的 方 案 制 备 了 带 宽 为 67 GHz 的 纵 向PIN Ge/Si 探测器。该方案使用半径为 3 μm 的 Ge 圆台将从 Si 波导中耦合进 Ge 吸收区的光信号约束在 Ge圆台边缘，有效缓解了纵向器件响应度和带宽相互制约的关系。在 2 V 的反偏电压下，测试器件的暗电流为 6.4 nA。在 1550 nm 波 长 附 近 ，器 件 响 应 度 约 为1.05 A/W，3 dB 带 宽 达 67 GHz，并 且 器 件 可 以 支 持240 Gbit/s PAM-4 信号的传输。然而，环形或盘形的共振吸收结构会受 Ge 外延形貌的影响，通常对波长也有一定的选择性，需要更精细的器件设计。相比于纵向器件，横向器件的 Ge 吸收区较小，且 金属远离光场，通常具有更大的带宽和更高的响应度，但同时也需要引入更加复杂而精确的制备工艺。2016 年，Chen 等报道了 3 dB 带宽为 67 GHz 的横向 PIN 结构 Ge/Si 光电探测器。在 1 V 的反偏电压下，器件的 结 电 容 为 6.8 fF，暗 电 流 在 4 nA 以 下 。在 1550 nm 波 长 处 ，器 件 的 响 应 度 并 不 理 想 ，仅 为 0.74 A/W，在 1310 nm 波 长 处 ，器 件 的 响 应 度 为 0.93 A/W。横 向 PIN 结构极大地降低了器件的结电容，因此可以支持 高速的性能。2020 年 ，Lischke 等报道了 3 dB 带宽 为 110 GHz 的横向 Ge/Si 光电探测器，其器件结构为 三明治型，Ge 吸收区为鳍形结构。在 Ge 两侧分别沉 积两种掺杂结构的 Si，形成横向 PIN 结构。为了进一 步 增 大 器 件 带 宽 ，2021 年 Lischke 等通 过 减 小 鳍 形 结 构 的 Ge 吸 收 区 宽 度 ，制 备 了 3 dB 带 宽 达 265 GHz 的横向 Ge/Si 光电探测器，这也是到目前为止带宽最 大的 Ge/Si 光电探测器，见图 6。鳍型的 Ge 吸收区宽 度仅为 100 nm，这有效减少了载流子的渡越时间，提 高了 Ge 探测器的高速性能。但该器件对工艺精度要求较高，并且由于工艺本身的问题，Ge 的表面存在损伤，导致器件的暗电流较大，在 2 V 的反偏电压下，暗电流为 100 nA。同时，光场在 Ge 吸收区中的分布较 弱，Ge 的长度也只有 10 μm，光信号无法被充分吸收，在 1550 nm 波 长 处 器 件 的 响 应 度 仅 有 0.3 A/W。因 此，如何缓解这种超高速 Si 基 Ge 探测器的响应度和 带宽之间的制约，是一个重要的研究课题。其中增大 Ge 的吸收系数将会是一个相对简单易行的方式，例如 通过在 Ge 材料中施加应变或引入同族的锡材料形成 GeSn 合金作用吸收区，这两种方案不仅可以有效 地减小材料在光通信波段的光吸收系数，提高响应度，而且可以提高材料中的载流子饱和漂移速度，这都有利于增大器件的带宽。

图 6 横向 PIN 型 Ge 探测器。（a）~（d）Ge 鳍型结构探测器的工艺流程示意图；（e）Ge 探测器的横截面图像；（f）Ge 探测器的 EDX 截面图

纵向和横向 Ge/Si 光电探测器增大带宽的主要方法均为减小器件的 RC参数（串联电阻和电容）和减少 载流子的渡越时间。表 2 中总结了高速 Ge/Si PIN型探测器的性能。由于探测器是典型的容性器件，通过引入感性的元器件可以补偿其 RC参数，从而影响器增大光电探测器的带宽，通过在探测器电 极制作过程中引入螺旋电感，利用电感补偿探测器的 寄生参数对频率响应的影响，增大光电探测器的3dB 带宽。2013年，Novack 等通过实验验证了电感增益

峰值技术可以增大纵向 Ge/Si 光电探测器的带宽。引入设计的螺旋电感的光电探测器，与无电感时相比，器件的 3dB 带宽从 30GHz 增大至60GHz，带宽增加了一倍。2023年，本课题组使用电感增益峰值技术制备 了纵向高速 Ge/Si 光电探测器，通过引入适当的集 成电感，可以在不影响暗电流和响应度的前提下，显著增大 Ge/Si 光电探测器的 3 dB 带宽。引入的集成电感值分别为242pH、280pH、360pH、415pH、460pH，见 图 7，对 应的器件3dB带宽为>75GHz、75GHz、 66GHz、60GHz、58GHz。在一定的范围内 ，引入的集成电感越小，器件的3dB 带宽越大。电感增益峰值 技 术 同 样 可 以 增 大 横 向 器 件 的 带 宽 。2023 年 ，Hu等使 用 电 感 增 益 峰 值 技术制备了3dB带宽为 80GHz 的横向器件，在不牺牲响应度和产生其他不良 效 果 的 前 提 下 将 带 宽 增 大 了 95%，并 且 测 试 得 到 了420Gbit/s 的 PAM-8 眼图。Si 基 Ge 光电探测器的研究重点是在增大探测器带宽的同时，尽量减小对器件其他性能参数的影响，均衡提升器件的性能。电感增益峰值技术在不改变器件直流特性的前提下，可以提升器件的高速性能，在以模拟信号为主的光通信领域 有重要的应用前景。然而，在数字光通信应用中，Si 基 Ge 探测器通常需要与跨阻放大器（TIA）直连，探测器 上的集成电感可能会对探测器和跨阻放大器之间的阻 抗匹配有所干扰，其实用性受到影响。

图 7 电感增益 PIN 型 Ge 探测器。（a）Ge 波导探测器的截面示意图；（b）探测器光学显微镜图像；（c）不同电感的显微镜图像

4  总结与展望

光电探测器作为光接收端的核心器件，经过多年的发展已经逐渐趋于成熟。本文介绍了两类波导耦合光 电 探 测 器 的 发 展 现 状 ，包 括 III-V 族 光 电 探 测 器 和 IV 族光电探测器。InP 基 InGaAs 探测器作为最成熟的解决方案，发挥了 III-V 族材料大吸收系数和高电子迁移率的优势，以 UTC 结构为基础实现了超高速光探测。尽管如此，III-V 族光电探测器在集成方面仍然具有挑战。目前 InP 基 InGaAs 探测器可以实现与其他InP 基光电子器件的片上集成，但由于不同功能器件的有源区结构不同，需要采用多次外延。此外，波导的折射率差比较小，弯曲半径大，集成度相对较低。Si 波导的折射率差较小，在集成度方面具有优势，通过外延或键合的方式可以实现 InP 基 InGaAs 探测器与 Si 的异质集成。然而，由于波导耦合 Si 基 Ge光电探测器可以满足 Si 基片上探测需求，因此 InP 基 InGaAs 探测器在Si 基集成方面的需求，并不如 III-V 族激光器那么明确 。IV 族 探 测 器 则 以 Ge/Si 探 测 器 为 主 ，与 Si 的CMOS 工艺兼容，在集成方面具有天然的优势。借助硅光平台先进的加工技术可以满足更高的加工精度和集成度，实现更精细的器件结构，甚至制作出性能与InP 基的高速探测器可媲美的 Si 基 Ge 超高速探测器。然而，Si 基 Ge 探测器在暗电流、载流子饱和迁移率、通信波段的光吸收系数等方面均不及 InGaAs 探测器，需要在材料和结构方面进行进一步的创新。

光电探测器在各种应用环境中，尤其是极端条件下的稳定性，也是实际应用的关键因素之一。近年来，备受关注的钙钛矿、有机及二维材料等新型探测器由于材料自身易受环境因素影响，其长期稳定性仍面临诸多挑战。同时，新型材料集成工艺尚不成熟，大规模生产和性能一致性仍需要进一步的探索。而文中所述 的 InGaAs 和 Ge/Si 探测器均有商用的量产产品，其在长期的使用中展现出了很高的稳定性和可靠性。尽管如此，探测器性能的提升仍然面临着一系列的挑战。首先，高速探测器通常需要小尺寸有源区来降低器件电容，然而随着器件尺寸的缩小，寄生 RC 参数对器件的带宽影响会越来越显著，甚至难以通过进一步减小器件尺寸来获得更大的带宽。目前，引入电感的方式 虽然可以有效地增大器件的带宽，但是在数字光通信系统中电感的引入并不受欢迎。因此，如何避免负面 影响来进一步降低器件寄生 RC 参数，是高速探测器的研究方向之一。其次，随着波导耦合光电探测器的带宽越来越大，带宽和响应度之间的制约又开始显现。虽然研究人员已经报道了3dB带宽超过200GHz的Ge/Si 探测器和 InGaAs 探测器，但是它们的响应度均不理想。如何在增大带宽的同时，保持良好的响应度是一个重要的研究课题，可能需要引入工艺兼容的新材料（高迁移率和高吸收系数）或新颖的高速器件结构来解决。另外，随着器件带宽的增大，探测器在微波光子链路中的应用将逐渐增多。与光通信中的低光功率入射和高灵敏度探测器不同，该应用场景在大带宽的基础上，有大功率入射的高饱和功率需求。然而，大带宽器件通常采用小尺寸结构，因此制作高速且高饱和功率的光电探测器并不容易，可能需要在器件的载流子提取和散热方面进行进一步的创新。最后，减小高速探测器的暗电流仍然是存在晶格失配的探测器需要解决的问题。暗电流主要和材料的晶体质量和表面状态相关，因此，晶格失配体系下的高质量异质外延或键合等关键工艺需要更多的研究和投入。

[作      者] 刘志鹏 刘智 成步文

[来源期刊] 光学学报

---

康冠光电自成立以来一直坚持以自主研发为主，同时与国际著名光电子产品制造商合作，积极为客户引入国外先进光电子产品，并始终秉承着“精诚服务、客户至上”的原则，“质量为本，创新为源”的方针，不断更新完善现有产品系列，全力打造专业技术团队，持续为用户提供优质、可靠、先进的产品和技术服务。并不断的赢得了国内广大客户的信赖。目前，康冠光电的客户群已遍布国内一流的高校和研究院所，并且和北京工业大学等众多知名高校的光电实验室建立了产学研合作模式。康冠光电愿竭尽所能为您提供服务，与您共创辉煌！

产品推荐 | 康冠光电-光电探测器全产品系列推荐   http://www.conquer-oc.com/cn/info-20-127.html

产品咨询/定制/批发通道：

TEL：19163827257

Mail：sales@conquer-oc.com

官网：www.conquer-oc.com