高速鍺硅雪崩光電二極管

  由于市場需求的爆發(fā)式增長，數(shù)據(jù)中心和高性能計算的高速光互連已成為光通信領(lǐng)域的快速發(fā)展方向。為實現(xiàn)更高的帶寬和集成度，高增益帶寬的雪崩光電二極管(APD)受到廣泛關(guān)注。碰撞電離系數(shù)比作為雪崩光電二極管優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)之一，顯著影響過量噪聲和增益帶寬積。由于硅的低碰撞電離系數(shù)比、結(jié)構(gòu)簡單、兼容CMOS工藝等優(yōu)點，鍺硅雪崩光電二極管的發(fā)展前景十分廣闊。鍺硅雪崩光電二極管通常采用吸收、電荷和倍增層分離的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)高帶寬和低噪聲。中國科學院西安光學精密機械研究所的王斌浩研究員等人回顧總結(jié)了高速鍺硅雪崩光電二極管工作的近期進展。該綜述論文于2022年3月以High-speed Si-Ge avalanche photodiodes為題發(fā)表在 PhotoniX 上。

  研究背景

  具有內(nèi)部增益的雪崩光電二極管可以顯著提高接收機的靈敏度，從而放寬光器件和電芯片的帶寬要求以及鏈路和功率預(yù)算。雪崩效應(yīng)不僅會導致倍增增益，還會產(chǎn)生過量噪聲。雪崩光電二極管的優(yōu)勢很大程度上取決于它們是否具有足夠高的增益帶寬，這與過量噪聲緊密相關(guān)。而過量噪聲因子又與碰撞電離系數(shù)比緊密相關(guān)。因此，如何設(shè)計具有低碰撞電離系數(shù)比的雪崩光電二極管至關(guān)重要。基于III-V族材料的雪崩光電二極管已經(jīng)研究了幾十年。為實現(xiàn)高性能的雪崩光電二極管，一種方法是選擇低碰撞電離系數(shù)比的半導體材料。另一種方法是利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)進行碰撞電離工程優(yōu)化。盡管III-V族雪崩光電二極管可以靈活選擇外延材料，但高性能III-V族雪崩光電二極管需要復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)并且缺乏與其他光子器件集成的能力。與大多數(shù)III-V族雪崩光電二極管相比，由于硅材料極低的碰撞電離系數(shù)比，鍺硅雪崩光電二極管具有更簡單的結(jié)構(gòu)和更低的噪聲，從而能夠獲得更高的增益帶寬。

  技術(shù)突破

  為了利用鍺的高吸收系數(shù)和硅的低碰撞電離系數(shù)比(k)，分離吸收、電荷、倍增 (SACM)結(jié)構(gòu)常用于鍺硅雪崩光電二極管的設(shè)計，在鍺中維持低電場以滿足其低于碰撞電離閾值的要求，高電場被限制在硅中以觸發(fā)其電離效應(yīng)。該設(shè)計在增益帶寬積和過量噪聲方面表現(xiàn)出卓越的性能。如圖 1所示，英特爾的研究人員提出了一種具有 p+-i-p-i-n+ 層結(jié)構(gòu)的垂直入射鍺硅雪崩光電二極管。圖中也給出了該結(jié)構(gòu)的各層厚度和摻雜濃度。對于30微米直徑的器件，測到的最大帶寬為 11.5GHz。類似于p-i-n結(jié)構(gòu)的光電二極管，雪崩光電二極管的帶寬同樣受到RC時間常數(shù)和載流子渡越時間的限制，只是雪崩光電二極管的耗盡區(qū)包括了耗盡的鍺吸收層以及硅電荷層和倍增層。由于分離吸收電荷倍增結(jié)構(gòu)的設(shè)計，該雪崩光電二極管實現(xiàn)了0.09的有效k值和340GHz的增益帶寬積。

圖1 垂直入射鍺硅雪崩光電二極管示意圖

  波導耦合鍺硅雪崩光電二極管已被證明在帶寬、暗電流和噪聲方面具有出色的性能。與垂直入射鍺硅雪崩光電二極管相比，波導耦合鍺硅雪崩光電二極管的主要優(yōu)勢在于光傳播和載流子收集路徑的彼此正交。更重要的是，波導耦合鍺硅雪崩光電二極管更適合大規(guī)模光子集成電路，硅波導中的入射光倏逝耦合到鍺中被吸收。波導光電二極管的光倏逝耦合方案包括自上而下、自下而上、側(cè)面耦合和對接耦合。自下而上耦合因為兼容CMOS工藝和結(jié)構(gòu)簡單，是波導耦合雪崩光電二極管最常見的耦合方式。如圖2所示，惠普實驗室的研究人員提出了一種采用自下而上耦合方案的波導耦合鍺硅雪崩光電二極管。與圖1中提出的 p+-i-p-i-n+ SACM結(jié)構(gòu)不同，該設(shè)計采用更薄層厚度的 p+-p-i-n+ 結(jié)構(gòu)來降低擊穿電壓并實現(xiàn)高帶寬和低噪聲。通過優(yōu)化SACM結(jié)構(gòu)，該設(shè)計實現(xiàn)了25GHz的最大帶寬和276 GHz的增益帶寬積。

圖2 波導耦合鍺硅雪崩光電二極管示意圖

  觀點評述

  隨著光互連技術(shù)向更高帶寬、更高集成度、更低功耗和更低成本的方向發(fā)展，集成更高靈敏度雪崩光電二極管的接收機是必不可少的。具有內(nèi)部增益和低噪聲的鍺硅雪崩光電二極管可以大大放寬鏈路預(yù)算和功率預(yù)算的要求，以實現(xiàn)更高的帶寬密度。雪崩光電二極管設(shè)計的重要性能指標包括擊穿電壓、暗電流、量子效率、倍增增益、電帶寬、過量噪聲和增益帶寬積。設(shè)計具有低有效碰撞電離系數(shù)比的雪崩光電二極管對于實現(xiàn)高增益帶寬積和低噪聲至關(guān)重要。但是，在優(yōu)化過程中會出現(xiàn)一些設(shè)計權(quán)衡，這需要針對不同應(yīng)用進行器件優(yōu)化。如何打破這些權(quán)衡是未來雪崩光電二極管性能提升的一個方向。雪崩光電二極管的設(shè)計還需要考慮器件制造的復(fù)雜性和容差。為了優(yōu)化基于雪崩光電二極管接收機的靈敏度，必須考慮收發(fā)機系統(tǒng)的整體噪聲。對于高速光互連應(yīng)用，不需要設(shè)計具有極高增益的雪崩光電二極管，因為在大多數(shù)情況下，倍增增益小于 20 即可實現(xiàn)雪崩光電二極管接收機的最佳靈敏度。

  主要作者

  王斌浩，中國科學院西安光學精密機械研究所研究員，博士生導師

  獲浙江大學信息工程學士和光學工程碩士學位，美國德克薩斯農(nóng)工大學電氣工程博士學位。曾在美國硅谷惠普實驗室任職博士后和研究員。從事面向高速光互連的半導體激光器和硅基光電子芯片的教學及科研工作。在OFC、ISSCC、Optica、JSSC等國際會議和主流期刊發(fā)表論文50余篇，擁有授權(quán)美國發(fā)明專利3項。

  論文鏈接：https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-022-00052-6