IEEE SiPhotonics2025 | 硅基光电子中的锗/硅雪崩光电二极管

引言

硅基光电子技术为高速光通信提供了巨大潜力，特别是在提供末端接入互联网连接的无源光网络(PON)中。最新的50G-PON技术需要能够达到50 Gbps数据速率的高性能光探测器。雪崩光电二极管(APDs)在这些应用中特别有价值，因为通过内部信号放大能够补偿高链路损耗[1]。

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锗/硅雪崩光电二极管简介

锗-硅(Ge/Si)雪崩光电二极管在集成光子平台上结合了两种材料的优势。锗作为电信波长(高达1.6-1.7μm)的吸收材料，而硅则作为信号放大的倍增层，其中发生碰撞电离。这种组合利用了锗在较长波长下的优良吸收特性和硅更好的雪崩特性。

大多数硅基光电子晶圆厂不将Ge/Si APDs作为标准构建模块提供，因为这些器件通常需要对标准制造工艺进行修改以实现最佳性能。本文介绍的研究表明，可以使用标准硅基光电子晶圆厂工艺而无需任何修改，实现高性能Ge/Si APDs——这对于经济有效、可扩展的制造而言是重要进展。

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APD设计考虑因素

Ge/Si APDs设计有两个主要挑战：

• 锗通常不是首选的APD材料，因为其相似的电子和空穴电离系数会导致更高的噪声和更低的速度。
• 在到达硅倍增区之前，在锗波导中产生(主要)少数载流子电子对于获得更高增益非常重要。
  

为了应对这些挑战，与硅-绝缘体-硅(SOI)波导的集成允许碰撞电离所需的高电场被限制在硅层内。这种方法提供了在锗材料中保持低电场的额外好处，减少了由于更高的本征浓度和潜在的隧穿效应导致的暗电流。在锗板附近添加P型掺杂，以促进外延和注入活化退火后的更高空穴浓度。

图1：使用标准硅基光电子晶圆厂掺杂条件的PIN和SAM APD设计的横截面示意图。这些设计利用不同的掺杂配置来控制电场分布。

研究人员开发了两种APD结构：

• PIN(P型、本征、N型)设计：高电场区域被限制在肋波导区域附近。
• SAM(分离吸收和倍增)设计：峰值电场位置远离肋波导，以减少来自锗层的漏电流。
  

这两种设计都是使用Advanced Micro Foundry的多项目晶圆接力制造的。金属接触区域重掺P型和N型，而在波导周围使用低剂量P型和N型注入层，以最小化自由载流子吸收。APDs使用了为硅电光调制器优化的标准注入层(特别是没有使用光电二极管N++注入层)。

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性能结果

为了评估器件性能，使用定制测量设置和SOI波导对APDs进行测试，SOI波导用于与器件的对接耦合。光纤-芯片耦合损耗测量为6.5 dB/切面，提供约56μW光功率到APDs。

图2：显示(a)PIN APDs和(b)SAM APDs在黑暗条件下(实线)和照明条件下(虚线)的电流-电压特性。随着本征区宽度增加，两种设计显示不同的击穿特性。

击穿电压(暗电流达到100μA处)随本征区宽度增加——在PIN设计中从-13.4V增加到-18.3V，在SAM设计中从-10.9V增加到-19.1V。有趣的是，在击穿前，PIN APD的暗电流比SAM APD高出2个数量级以上。这种显著差异归因于存在于PIN设计的锗板区域的高电场。相比之下，SAM APD将电场限制在远离锗板的位置，直到锗吸收区域完全耗尽(全耗尽)，这导致在接近击穿时暗电流急剧增加。

图3：(a)PIN和SAM APDs的测量响应度，显示不同的工作特性。(b)在3 A/W响应度下，每种APD设计的工作电压和暗电流的比较摘要。

图3(a)中的响应度曲线显示了设计之间不同的工作特性。对于PIN2和PIN3，本征区在0V时可被视为完全耗尽，因为响应度在0到-2V之间保持平稳，然后由于雪崩增益而呈指数上升。相反，SAM APDs在接近击穿之前显示低响应度，直到急剧增加，表明穿透发生的电压偏置点。在这一点上，响应度达到3至7.6 A/W，同时碰撞电离已经影响了光电流响应。

为了便于比较，图3(b)显示了每种设计达到3 A/W响应度所需的暗电流和工作电压。SAM APD设计在抑制暗电流方面表现出明显优势，这归功于远离锗吸收区域的电场限制，尽管通常需要更高的工作电压。

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结论

研究人员成功演示了遵循标准硅基光电子晶圆厂集成工艺，无需任何修改而制造的波导集成锗/硅雪崩光电二极管。这些器件实现了在工作电压低于-20V时，响应度超过7.5 A/W，同时在保持较好的3 A/W响应度的同时，暗电流被抑制到低于10 nA。SAM3设计表现特别出色，在3 A/W响应度下仅有1.4 nA的超低暗电流，使其适用于光网络应用。据研究人员称，这些Ge/Si APDs在雪崩击穿附近展示了迄今报道的最低暗电流和较好的响应度。

通过利用中间调制器注入层，可以进一步优化这些APD设计，潜在地提升高速光通信应用的性能。下一步研究目标将集中在评估这些有希望的器件对50G-PON和其他先进光网络应用的高速性能。

参考文献

[1] L. W. Lim et al., "Demonstration of High Responsivity, Low Dark Current Ge/Si Avalanche Photodiode using Silicon Photonics Foundry Process with Zero Change," in IEEE SiPhotonics 2025

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