IEEE SiPhotonics2025 | 锗环形谐振腔雪崩光电探测器在2微米波长的应用进展

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引言

中红外光子技术正在迅速超越传统的近红外光谱范围，为电信、环境传感和自由空间通信创造了新的应用可能。2微米波长段对于下一代光通信系统和传感应用特别有价值。本文探讨了中红外光电探测领域的重要突破：在2微米波长工作的锗绝缘体上（GeOI）环形谐振腔雪崩光电探测器[1]。

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背景与动机

硅基光电子已成为近红外光谱（1.3-1.55微米）光电子集成芯片（PIC）的主导平台。然而，对更宽通信带宽和高级传感能力的需求正推动研究向中红外范围（2-20微米）发展。2微米波段在光通信中具有独特优势，包括在使用空心光子带隙光纤时减少的非线性效应和最小的损耗。

将高性能中红外光电探测器与硅基光电子集成芯片集成一直是一个挑战。虽然InGaAs或GaSb等III-V族半导体已被用于中红外探测，但存在复杂的集成问题和高制造成本。锗绝缘体上（GeOI）平台因其与硅基制造工艺的兼容性和在中红外区域的良好透明性而成为有希望的替代方案。

有趣的是，尽管锗在2微米波长下是透明的，研究人员发现锗波导中的缺陷介导使高响应率的光电探测成为可能。基于这一发现，环形谐振腔（MRR）被集成到锗亚带隙光电探测器中，增强了光与物质的相互作用和探测效率。

图1：集成环形谐振腔的锗亚带隙雪崩光电探测器的三维示意图，显示了环形结构、总线波导和p-n结区域。

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制造工艺

基于GeOI的光电探测器实现涉及两个关键制造阶段：创建GeOI晶圆本身和制造光电探测器器件。

GeOI晶圆制造：GeOI晶圆制造始于2英寸氢离子注入的锗晶圆和一个725微米厚的2英寸硅晶圆，硅晶圆上有2微米厚的SiO2埋氧层（BOX）。通过原子层沉积（ALD）在锗和硅基底晶圆上同时沉积5纳米的Al2O3层。然后将锗晶圆翻转并键合到硅晶圆的BOX层上，随后通过热分离转移薄锗层。使用化学机械抛光（CMP）实现所需厚度，最终得到275纳米厚的GeOI晶圆。

光电探测器制造：带有环形谐振腔的雪崩光电探测器（APD）在准备好的GeOI晶圆上制造。该过程首先使用电子束（EB）光刻和反应离子刻蚀（RIE）形成锗肋波导和聚焦光栅耦合器，然后形成隔离沟槽。应用10纳米厚的SiO2硬掩模进行硼离子注入，随后去除该掩模。然后形成100纳米厚的SiO2硬掩模，用于从磷掺杂自旋玻璃（P-SOG）掺杂。在用P-SOG旋涂后，在650°C的氮气环境中进行1分钟的快速热退火，以实现磷扩散和注入硼的激活。最后，通过金属溅射和剥离工艺沉积镍和铝，形成电极触点。

图2：GeOI上Ge APD的制造过程，说明了包括刻蚀、掺杂和电极形成在内的逐步制造顺序。

器件结构与性能：制造的器件特点是在275纳米厚的GeOI晶圆上有500纳米宽的锗波导，上覆500纳米厚的SiO2包覆层。APD包含一个45微米半径的环形谐振腔，带有占环周长50%的横向p-i-n结。一个间隙为100纳米的总线波导位于环形谐振腔下方，以实现最佳耦合。

图3：Ge MRR APD的平面图，显示了输入/输出端口、波导结构和标记为G（接地）和S（信号）的电气触点。

在各种条件下评估了器件的光学和电气特性。初始阶段，使用可调谐激光二极管在-1伏偏置电压下测量了传输光谱和光电流，入射光波长从1.95扫描到2.02微米。测量显示了由于环形谐振腔造成的明显波长共振，伴随着共振波长峰处增强的光电流。这种光电流归因于锗中的亚带隙吸收，类似于之前在硅基器件中报告的效应。

图4：在-1伏偏置下的传输和光电流光谱，展示了共振行为和光电流响应中相应的峰值。

在2.009微米的共振波长下，测量了电流/响应率-电压特性，从光纤发射的光功率为0.5毫瓦。考虑到光栅耦合器损耗9.5分贝和波导损耗0.8分贝，器件实际输入功率估计为-13.3分贝毫瓦。当偏置电压上升到-7伏时，响应率显著增加，此时开始发生雪崩倍增。在-11伏反向偏置下，达到了2.18安培/瓦的峰值响应率，证明了雪崩增益机制在增强探测器性能方面的有效性。

图5：光电流/响应率与偏置电压的关系图，显示随着偏置电压增加响应率显著提高，在-11伏处达到最佳性能。

在-15伏偏置下，以2.5吉比特/秒的非归零（NRZ）信号进行了高速性能测试。眼图测量显示了清晰的眼图开口，确认了该器件适用于中红外光谱中的高速数据通信应用。

图6：在-15伏下2.5吉比特/秒NRZ信号的眼图，展示了器件的清晰信号完整性和高速能力。

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结论

环形谐振腔与锗雪崩光电探测器在GeOI平台上的集成代表了中红外光子技术的重要进展。共振增强和雪崩倍增的综合优势实现了2微米波长的高响应率光电探测，展示了2.18安培/瓦的响应率和2.5吉比特/秒的清晰数据传输能力。

这一成就证明了GeOI技术在中红外光子应用中的潜力，为工作在2微米波长段的电信、环境传感和自由空间通信系统提供了集成解决方案。所展示的方法利用了锗中的亚带隙吸收，通过缺陷介导机制和光学共振增强克服了材料在该波长下固有的透明性。