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近日，中國科學院半導體研究所集成光電子學國家重點實驗室成步文研究員課題組在《半導體光電》期刊上發(fā)表了以“硅基鍺PIN光電探測器的研究進展”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(高溫無氧烘箱)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耦合兩類常見硅基鍺光電探測器的研究進展，包括典型的器件結(jié)構(gòu)，以及提升響應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方向平行，其響應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，因此響應度與響應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)共振增強吸收，從而緩解面入射光電探測器響應度與響應速度的互相制約關(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行調(diào)制，在較薄層的鍺中增強光吸收的方案逐漸進入人們的視野，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方向垂直，從而可以基本解除響應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度。最初的波導耦合結(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直接對接，來自硅波導的光直接入射端側(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的上方，來自硅波導的光信號到達鍺吸收材料下方后，光將通過消逝場耦合進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。對于波導耦合的硅基鍺光電探測器，其暗電流、響應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(高溫無氧烘箱)，硅基鍺光電探測器幾乎成為硅基光探測的唯一選擇。