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近日，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點實驗室成步文研究員課題組在《半導(dǎo)體光電》期刊上發(fā)表了以“硅基鍺PIN光電探測器的研究進(jìn)展”為主題的綜述文章。成步文研究員主要從事硅基光電子材料和器件的研究工作，在硅基SiGe、Ge、GeSn、GePb等Ⅳ族材料外延生長、器件和芯片(高溫?zé)o氧烘箱)研制等方面取得了系統(tǒng)性研究成果。

這項研究主要介紹了面入射和波導(dǎo)耦合兩類常見硅基鍺光電探測器的研究進(jìn)展，包括典型的器件結(jié)構(gòu)，以及提升響應(yīng)度和帶寬等性能的主要途徑。

面入射結(jié)構(gòu)探測器的光入射方向與光吸收的厚度方向以及光生載流子輸運(yùn)方向平行，其響應(yīng)度與光吸收層厚度密切相關(guān)，而吸收層的厚度又決定了光生載流子的渡越時間，因此響應(yīng)度與響應(yīng)速度之間存在著相互制約的關(guān)系。利用垂直方向上的界面反射形成共振腔結(jié)構(gòu)，可以在特定的波長實現(xiàn)共振增強(qiáng)吸收，從而緩解面入射光電探測器響應(yīng)度與響應(yīng)速度的互相制約關(guān)系。另外，近幾年利用鍺表面的結(jié)構(gòu)化來對入射光的光場進(jìn)行調(diào)制，在較薄層的鍺中增強(qiáng)光吸收的方案逐漸進(jìn)入人們的視野，但目前大多處于理論模擬階段。

為了滿足硅基光電子集成芯片發(fā)展的需求，波導(dǎo)耦合型光電探測器逐漸成為硅基光電探測器的研究重點，器件中光的入射方向與載流子的輸運(yùn)方向垂直，從而可以基本解除響應(yīng)度與帶寬的相互制約，在提高帶寬的同時也可以保證相對較高的器件響應(yīng)度。最初的波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)為butt耦合型，鍺光電探測器的鍺吸收層材料與硅波導(dǎo)直接對接，來自硅波導(dǎo)的光直接入射端側(cè)的鍺吸收層，從而實現(xiàn)對光的探測。波導(dǎo)耦合光電探測器的另一種常見結(jié)構(gòu)是消逝場耦合結(jié)構(gòu)，鍺吸收材料處于硅波導(dǎo)的上方，來自硅波導(dǎo)的光信號到達(dá)鍺吸收材料下方后，光將通過消逝場耦合進(jìn)入折射率比硅大的鍺吸收層，實現(xiàn)對光的吸收探測；倏逝波導(dǎo)耦合型PIN結(jié)光電探測器可以分為縱向和橫向PIN結(jié)構(gòu)。

消逝波耦合的器件結(jié)構(gòu)示意圖

硅基鍺光電探測器經(jīng)過二十多年的發(fā)展逐漸趨于成熟。面入射硅基鍺光電探測器受光面尺寸限制，器件尺寸較大，帶寬受限，因此研究主要集中在降低暗電流、平衡響應(yīng)度和帶寬方面。目前，面入射硅基鍺光電探測器已逐漸從科研轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化，借助于硅光成熟的大尺寸晶圓制造工藝，器件在可靠性、良率和成本等方面具有優(yōu)勢。對于波導(dǎo)耦合的硅基鍺光電探測器，其暗電流、響應(yīng)度和帶寬性能顯著優(yōu)于面入射硅基鍺光電探測器，研究的重點主要集中在提高器件帶寬。然而，如何在提高帶寬的同時，盡量減少對器件其他參數(shù)的影響，均衡提升器件性能非常具有挑戰(zhàn)性，需要更多的努力和創(chuàng)新。

隨著硅基鍺薄膜外延技術(shù)的突破，基于硅基鍺材料的光電子器件快速發(fā)展，其中以硅基鍺光電探測器最為突出。由于鍺可以實現(xiàn)近紅外通信波段的光吸收，而且完全兼容硅的CMOS工藝(高溫?zé)o氧烘箱)，硅基鍺光電探測器幾乎成為硅基光探測的唯一選擇。