IEEE SiPhotonics2025 | 锗锡红外光电二极管实现2μm波长光无线通信

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引言

光无线通信(OWC)已成为解决日益增长的带宽需求的有效解决方案，这些需求几乎已经耗尽了可用的射频频谱。2 μm波长段因为与短波长相比降低了大气干扰而在OWC应用中具有特殊优势。本文探讨锗锡(GeSn)光电二极管作为2 μm OWC系统的关键使能技术[1]。

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红外光电二极管简介及应用

红外(IR)光电二极管工作在非常宽广的波长范围内，从短波红外(SWIR, 1-3 μm)，中波红外(MWIR, 3-6 μm)，到长波红外(LWIR, 6-15 μm)。这种多功能性使其可应用于多种领域，包括光通信、医学成像、监控系统和监视技术。

随着无线通信流量呈指数级增长，传统射频频谱面临严重拥塞。OWC通过利用可见光和红外波段提供额外的通信信道，成为有效替代方案。然而，大气湍流对自由空间光传输构成重大挑战，导致信号衰减。研究表明，在较长波长特别是2 μm波段操作OWC，显著减少了这些大气效应并改善了传输性能。

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2 μm光电探测的挑战

开发在2 μm波长有效工作且与硅基光电子平台兼容的高效光电二极管面临技术挑战。锗硅(GeSi)器件在硅基光电子中表现出色，实现了电吸收调制器和光电二极管的单片集成。然而，GeSi合金的能带结构限制了其在2 μm波长的有效性。

将锡(Sn)掺入锗创造了突破性材料—GeSn合金，可在硅或绝缘体上硅(SOI)基底上生长。通过精确控制GeSn有源层中的Sn含量，研究人员可以设计出能有效检测2 μm波段光的光电二极管。此外，GeSn的独特能带结构提供了互补优势：Γ谷实现直接带隙光吸收，而L谷允许光生载流子更长的存储时间，提高响应度。

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GeSn光电二极管结构和制造工艺

图1：(a) Si基底上GeSn光电二极管的横截面示意图。(b) 安装在顶开式双列直插式封装上的光电二极管俯视图。

GeSn光电二极管结构由硅基底上的n-Ge/i-GeSn/p-Ge赝晶PIN架构组成，带有锗垂直基底(VS)缓冲层。在这种配置中，本征GeSn层被n型掺杂和p型掺杂锗层夹在中间。GeSn层由于与周围Ge层相比具有较低的直接带隙，作为光子吸收的活性区域。

该器件采用低温固体源分子束外延(LT-MBE)和CMOS兼容工艺技术制造。本征GeSn层厚度为270纳米，而Ge垂直基底层厚度为200纳米。p-Ge和n-Ge层的标称掺杂浓度为5 × 10^18。通过约4.2%的Sn含量，材料实现了2 μm操作所需的光学特性。

为了实际应用，光电二极管安装在顶开式双列直插式封装(DIP)上，金线键合将器件连接到引线框架。中心环电极连接到p-Ge区域，而外部环电极连接到n-Ge层。

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实验结果与性能分析

图2：(a) 制造的GeSn光电二极管的XRD图谱。(b) 室温下测量的GeSn光电二极管I-V特性。

X射线衍射(XRD)测量证实了制造的GeSn层具有高结晶质量。如XRD图谱所示，三个对应于GeSn、Ge和Si的明显峰清晰可辨。GeSn的尖锐强衍射峰表明其结晶质量优异。对GeSn平面的ω扫描显示线宽约为0.2°，进一步确认了GeSn层的高结构质量。这种窄线宽表明侧向关联长度优良且位错密度低。

室温下测量的电流-电压(I-V)特性显示了光电二极管的电气性能。随着反向偏置增加，暗电流逐渐上升，在-1 V反向偏置电压下达到2.26 × 10^-3 A。该光电二极管在2 μm波长段表现出0.3至0.1 A/W之间的响应度。

图3：测量的光学眼图，(a) 200 Mbit/s和(b) 400 Mbit/s。

为评估GeSn光电二极管的实际通信性能，进行了误码率(BER)测量。光电二极管通过偏置三通器使用DC电压源反向偏置。不同数据速率的开关键控(OOK)调制光信号通过自由空间发射被引导到光电二极管。光电转换后的电信号被分析以确定BER。

在200 Mbit/s数据速率下，光电二极管实现了无错误操作，BER低于1 × 10^-9。当数据速率增加到400 Mbit/s时，眼图中可见一些符号间干扰。尽管如此，系统仍保持3.8 × 10^-3的BER，满足了实际通信系统所需的7%硬判决前向纠错(HD-FEC)阈值。

值得注意的是，测试器件具有直径为250 μm的相对较大探测面积，主要设计用于光学传感应用。研究人员预计，优化后的较小器件几何形状将在通信应用中实现更好的高速性能。

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结论与未来展望

锗锡光电二极管代表了在2 μm波长段实现光无线通信的重要进步。本研究中展示的基于GeSn的光电二极管成功检测了400 Mbit/s的OOK调制信号，BER性能满足7% HD-FEC阈值。

这些光电二极管能够在硅或SOI平台上单片集成，使其在实际应用中特别具有吸引力。与标准半导体制造工艺的兼容性便于与其他硅基光电子组件集成，形成完整的通信系统。

随着研究继续，具有较小探测面积的优化器件几何形状可能会带来更高的数据速率和更好的性能。GeSn光电二极管的发展显著扩展了传统射频以外的可用通信频谱，解决了现代无线通信系统不断增长的带宽需求。