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(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)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(jìn)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(jī)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(dǎo)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(dǎo)體材料。另一種方法是利用異質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)中的入射光倏逝耦合到鍺中被吸收。波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)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(biāo)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(jìn)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(jī)的靈敏度，必須考慮收發(fā)機(jī)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(jī)的最佳靈敏度。

  主要作者

  王斌浩，中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員，博士生導(dǎo)師

  獲浙江大學(xué)信息工程學(xué)士和光學(xué)工程碩士學(xué)位，美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)電氣工程博士學(xué)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(dǎo)體激光器和硅基光電子芯片的教學(xué)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