一種可采用標準流片工藝制備的鍺硅雪崩光電探測器

研究成果概述

近日，浙江大學光電科學與工程學院/現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授團隊設計了一種可采用標準流片工藝制備的鍺硅雪崩光電探測器，所研制APD性能優(yōu)越，實現了高達615GHz的創(chuàng)紀錄增益帶寬積GBP，并成功演示了其100 Gbps NRZ和PAM-4 高速信號接收，為下一代高速硅光集成的光接收奠定了核心光器件基礎，具有重要應用前景。

相關研究成果以“High-speed waveguide Ge/Si avalanche photodiode with a record gain-bandwidth product of 615 GHz”（具有615GHz創(chuàng)紀錄增益帶寬積的高速鍺硅雪崩光電探測器）為題于2022年7月6日發(fā)表于美國光學學會旗艦期刊《Optica》。

背景介紹

隨著云服務、人工智能、物聯網等新型業(yè)務的興起，數據傳輸速率及容量面臨前所未有的挑戰(zhàn)，其關鍵在于發(fā)展高速光電子器件。近10年來，硅基光電子快速發(fā)展，以其CMOS兼容和高集成度等突出優(yōu)點成為集成光電子領域的新興主流技術，而如何實現更高性能以滿足下一代應用需求是其當前發(fā)展所面臨的重要挑戰(zhàn)。眾所周知，高性能光電探測器是幾乎所有光學系統都不可或缺的核心器件。為了獲得更高靈敏度，人們發(fā)展了具有內增益的雪崩光電探測器（APD），如鍺硅APD。此前報道的鍺硅APD增益帶寬積不高（通常為~300GHz），且往往需要引入比較復雜的多次外延垂直結構或精細局部摻雜結構，難以滿足未來高速高靈敏接收機發(fā)展需求。

圖1 所研制的鍺硅APD器件結構圖及顯微鏡照片

文章亮點

針對這一問題，浙江大學光電科學與工程學院/現代光學儀器國家重點實驗室戴道鋅教授團隊最近發(fā)文報道了超高增益帶寬積的鍺硅APD最新研究成果。基于180 nm標準流片工藝，該團隊提出并實現了一種超高增益帶寬積的水平拉通型鍺硅波導APD，如圖1所示。

在此器件中，通過硅倍增區(qū)電場非均勻化，巧妙利用其“dead space”效應，進一步減小了硅倍增區(qū)等效電離比，有效降低了其過剩噪聲，突破了其增益帶寬積GBP制約。同時，創(chuàng)新性地引入淺刻蝕脊波導結構設計，實現了對該器件光場及電場的有益調控。一方面，有助于增強鍺區(qū)光吸收率，進而提升其響應度；另一方面，有效抑制了鍺區(qū)邊緣電場強度，有助于降低APD暗電流。尤為重要的是，該APD僅需采用標準CMOS單次鍺外延工藝，避免了傳統的垂直分離吸收電荷倍增結構APD所需的多次外延等復雜工藝。

研究團隊所研制的APD器件工作于O波段（如圖1所示），其工作電壓約?14V、單位增益響應度達0.93 A/W。特別是，該器件獲得48 GHz帶寬的同時，增益系數高達12.8，對應的增益帶寬積高達615 GHz，如圖2a所示?；诖薃PD，研究團隊進一步開展了高速信號接收實驗，成功演示了速率達100 Gbps的NRZ和PAM-4信號接收，如圖2b所示，其靈敏度分別為?12.6 dBm和?11.3 dBm（BER=2.4×10-4）。

研究結果表明，所研制APD器件性能優(yōu)越且工藝簡便，為高速光信號的高靈敏度接收奠定了關鍵基礎，且與無源硅光器件、光調制器等核心功能器件工藝兼容，可進一步構建多功能集成應用，具有廣闊的應用前景。

圖2 (a) APD帶寬與增益帶寬積；

(b) 100Gbps NRZ與100Gbps PAM-4信號眼圖測試

論文及作者信息等

論文第一作者為博士研究生項宇鑾，通訊作者為戴道鋅教授，合作作者包括郭敬書研究員、博士研究生曹恒鎮(zhèn)與劉超越。該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家杰出青年科學基金、國家自然科學基金等支持。

審核編輯 ：李倩