硅基锗PIN(高温无氧烘箱)光电探测器的研究进展

硅基锗PIN(高温无氧烘箱)光电探测器的研究进展

来源:|作者:隽思半导体设备部|发布时间: 2022-05-19|582 次浏览

近日，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室成步文研究员课题组在《半导体光电》期刊上发表了以“硅基锗PIN光电探测器的研究进展”为主题的综述文章。成步文研究员主要从事硅基光电子材料和器件的研究工作，在硅基SiGe、Ge、GeSn、GePb等Ⅳ族材料外延生长、器件和芯片(高温无氧烘箱)研制等方面取得了系统性研究成果。

这项研究主要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。

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。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。另外，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。

为了满足硅基光电子集成芯片发展的需求，波导耦合型光电探测器逐渐成为硅基光电探测器的研究重点，器件中光的入射方向与载流子的输运方向垂直，从而可以基本解除响应度与带宽的相互制约，在提高带宽的同时也可以保证相对较高的器件响应度。最初的波导耦合结构为butt耦合型，锗光电探测器的锗吸收层材料与硅波导直接对接，来自硅波导的光直接入射端侧的锗吸收层，从而实现对光的探测。波导耦合光电探测器的另一种常见结构是消逝场耦合结构，锗吸收材料处于硅波导的上方，来自硅波导的光信号到达锗吸收材料下方后，光将通过消逝场耦合进入折射率比硅大的锗吸收层，实现对光的吸收探测；倏逝波导耦合型PIN结光电探测器可以分为纵向和横向PIN结构。

消逝波耦合的器件结构示意图

硅基锗光电探测器经过二十多年的发展逐渐趋于成熟。面入射硅基锗光电探测器受光面尺寸限制，器件尺寸较大，带宽受限，因此研究主要集中在降低暗电流、平衡响应度和带宽方面。目前，面入射硅基锗光电探测器已逐渐从科研转向产业化，借助于硅光成熟的大尺寸晶圆制造工艺，器件在可靠性、良率和成本等方面具有优势。对于波导耦合的硅基锗光电探测器，其暗电流、响应度和带宽性能显著优于面入射硅基锗光电探测器，研究的重点主要集中在提高器件带宽。然而，如何在提高带宽的同时，尽量减少对器件其他参数的影响，均衡提升器件性能非常具有挑战性，需要更多的努力和创新。

随着硅基锗薄膜外延技术的突破，基于硅基锗材料的光电子器件快速发展，其中以硅基锗光电探测器最为突出。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(高温无氧烘箱)，硅基锗光电探测器几乎成为硅基光探测的唯一选择。