Optical detection in silicon photonics

Presentation on theme: "Optical detection in silicon photonics"— Presentation transcript:

1 Optical detection in silicon photonics
硅基光电子技术与应用 暑期学校 Optical detection in silicon photonics 王兴军 Beijing

2 光电探测器是将入射光能量转化为电信号的光电子器 件，它不像激光器那样，必须是直接带隙的材料，因 此硅虽然是间接带隙材料，也可以制备探测器。
但由于硅的禁带宽度是1.12eV，对1.1µm以上的红外 光是透明的。单纯体硅不适合做硅基光电子学所需要 的红外探测器，具有良好光响应特性的红外光探测器 也因此成为目前研究的重点。 其中，锗在红外波段具有高的响应，同时其制备技术 和CMOS工艺兼容，因而锗硅探测器成为目前最有前 景的硅基红外光电探测器。

3 本节课主要内容 光电探测器的基本原理； 光电探测器的结构和特性； 两种探测器：体硅光电探测器和锗硅光电探测器；
在锗硅光电探测器方面，PIN、APD和MSM三种波导型锗硅光电探测器的发展过程和最新的研究结果。

4 Outline 光电探测器的基本原理 光电探测器的特性和结构 硅光电探测器 锗硅光电探测器 光电探测器对光信号的吸收
光电探测器的性能参数 PIN光电探测器 雪崩光电探测器 硅光电探测器 锗硅光电探测器 Ge/Si材料的基本物理特性 Ge材料制备方法 锗硅波导光电探测器

5 hv>Eg 本征光吸收（带间光吸收）
光发射是发光二极管、激光器的基础 光吸收是光电探测器的基础 本征光吸收、晶格振动吸收、自由载流子光吸收、杂质光吸收、激子光吸收、声子光吸收、双光子吸收、拉曼散射 hv>Eg 本征光吸收（带间光吸收）

6 Hv<Eg 掺杂半导体中，对于施主能级ED和受主能级EA，无论是ED-Ev还是ED-EA都小于带隙Eg。当电子吸收光子的能量实现电子由EA到Ec或EV到ED的杂质-带边的跃迁、或EA到ED的杂质-杂质的跃迁，都会在价带或导带中产生自由载流子，使杂质能级电离。 这种杂质能级参与的过程，叫杂质能级光吸收。

7 Hv<Eg 自由载流子光吸收 同载流子浓度成正比，波长平方正比，表明自由载流子对长波长吸收严重。

8 双光子吸收 通常原子从低能级跳跃到高能级必须吸收一份相当于二个能级之差的能量。如果这份能量由光辐射来提供，只有在光子的能量为二个能级之差时才会被原子所吸收。但是在高功率的光束下，虽然一个光子的能量还达不到二个能级之差，但原子可以同时吸收二个光子达到一定的能量而完成一次跃迁，这就是双光子吸收

9 实验测得的Si、Ge和GaAs的光吸收系数同光波波长和光穿透深度的关系
I(x)=I0e-αx 当光传输了一段距离d=1/α时，Id=I0/e，即光强正好为原来的1/e，d为光波的穿透深度。 实验测得的Si、Ge和GaAs的光吸收系数同光波波长和光穿透深度的关系

10 光电探测器的基本原理 目前普遍使用的光电探测器是光电二极管。 为了提高光电二极管的响应速度，我们希望光生电子空穴对的产生尽量发生在耗尽层内。
为了进一步提高响应速度，在实际使用时是将光电二极管反向偏置的， 空 穴 能 量 电 子 能 量 价带 耗尽层 hv RL -Vb p n 自建电场 电子扩散区 漂移区 空穴扩散区 导带

11 半导体光电探测器是利用内光电效应进行光电探测，通过吸收光子产生电子空穴对，从而在外电路产生光电流。
光电探测器的基本工作机理包括3个过程：①材料在入射光照射下产生光生载流子；②载流子输运或在电流增益机制下的倍增；③光电流与外围电路之间的相互作用并输出电信号。

12 Outline 光电探测器的基本原理 光电探测器的特性和结构 硅光电探测器 锗硅光电探测器 光电探测器对光信号的吸收
光电探测器的性能参数 PIN光电探测器 雪崩光电探测器 硅光电探测器 锗硅光电探测器 Ge/Si材料的基本物理特性 Ge材料制备方法 锗硅波导光电探测器

13 光电探测器的特性和结构 光电探测器的性能参数： 量子效率、响应度、灵敏度 响应速度、响应时间,带宽 暗电流、噪声

14 半导体光检测器的特性 量子效率和响应度(灵敏度) 在半导体内部，一个入射光子产生电子-空穴对的概率：
Ip为光电流；Poi为入射光在半导体内表面处的光功率 通常用响应度R表征单位入射光功率产生的光电流 1、材料不同——响应度不同 2、波长一定——R为一固定值 3、响应度同量子效率呈对应关系，是λ的函数

15 由于η与材料的吸收系数α，以及吸收层的厚度W相关。
α(λ)是对应波长λ的吸收系数。由上式可见材料的吸收系数越大，或者吸收层越厚，光电探测器的量子效率就越高。

16 在实际的光电探测器申，光不可能直接由材料表面达到吸收区，而是要经过一定的厚度的重掺杂接触区，在这个区域内会造成一部分光子损耗，同时在光电探测器表面的反射作用也会损失部分入射光。基于这些因素，定义外量子效率为 d为前端接触层厚度，Rf为光电探测器表面的反射率。 为了减小端面反射以提高外量子效率，可以在入射界面涂一层抗反射膜，抗反射膜厚度与波长和折射率有关。

17 半导体光检测器的特性 实际η在30%-95% 为了获得高量子效率，耗尽层尽量厚，吸收大量的入射光线。
光生载流子电子和空穴漂移到pn结两端所需时间长，响应速度小。

18 灵敏度：光电探测器的灵敏度是在系统一定的传输带宽和传输速率下所能检测到的最小光信号。灵敏度也常称响应度，它是光电探测器光电转换特性，光电转换的光谱特性以及频率特性的量度。常用的单位是dBm。灵敏度又分为积分灵敏度R，光谱灵敏度Rλ和频率灵敏度Rf三种。

19 半导体光检测器的特性 响应时间（响应速度）(带宽) 由入射光转变为光电流所需时间为响应时间。 因素： 耗尽层中光生载流子的渡越时间
因素： 耗尽层中光生载流子的渡越时间 耗尽层外的载流子扩散时间 RC时间常数，负载电阻和分布电容引起的信号延迟所需的时间。 频带宽度：

20 暗电流 在无光的情况下，光电探测器仍有电流输出，这种电流称为暗电流。
由于热激励（主要是由PN结内热效应产生的电子空穴对形成）、宇宙射线及放射性物质的激励， 由耗尽层中载流子的产生-复合电流和耗尽层边界的少数载流子扩散电流，以及表面漏电流构成。 暗电流的大小与偏压和光电二极管的结面积有关，当偏压增大时，暗电流增大；与光电二极管的结面积成正比，故常用单位面积上的暗电流（暗电流密度）来衡量。 一般取偏压是0.9V时，对应的电流值为器件的暗电流值。除了与偏置电压有关外，暗电流还随器件温度的增加而增加，从室温到70℃，暗电流将增加一个数量级。

21 半导体光检测器的特性 噪声 一个光探测系统噪声包括：与信号光检测过程有关的噪声和与电路有关的电路噪声。
量子噪声(散粒噪声)：反映单位时间到达光探测器上光子的随机性。光子噪声和光电子噪声：光子的到来是随机的——通常用泊松分布描述；光电子噪声：由于光检测器中的量子效率小于1，因此单个光子产生光致电子-空穴对的几率为，不产生的几率为1- 。所以吸收光子产生电子-空穴对的过程是随机的。 暗电流噪声：没有光照时，由于热电子发射等原因也会产生自由载流子电子和空穴，在电场作用下会产生电流。本体暗电流和表面暗电流。 增益噪声：APD放大过程的随机性。 与频率有关的噪声、背景噪声 电路噪声包括：电阻噪声与前置放大器的噪声

22 半导体光检测器的特性 信噪比： 提高探测器的灵敏度和降低探测器的噪声。 光接收机：
1、探测器具有高的量子效率，亦高的响应度，以便产生大的光电流信号功率。 2、探测器的噪声尽可能小，放大器电路的噪声也尽可能小。

23 半导体光检测器的特性 能探测的最小入射功率。 接收灵敏度 暗电流和后面的电子电路的热噪声决定了接收灵敏度。
总的噪声随着调制速率的增加而增加。

24 光电二极管(photodiode) 光电二极管定义：
光电二极管和普通二极管一样，也是由一个PN结组成的半导体器件，也具有单方向导电特性。光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。光电二极管是在反向电压作用在工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。 光电二极管的材料 Si, Ge，GaAs，InGaAs,GaAsP, InGaAsP 按照光电二极管的“结”，可将其分类为PN结，PIN结，雪崩光电二极管型，MSM光电探测器

25 p-n光电二极管 其核心部分是p-n结。所以当p型半导体和n型半导体结合在一起时，p区的空穴将扩散到n区，而n区的电子将扩散到p区，使p变负而n变正。电荷堆积在p-n结两侧形成一自建电场，其方向由n指向p。p区的电子和n区的空穴在自建电场的作用下分别向n区和p区做漂移运动，同时p-n结的自建电场会阻止电子和空穴进一步向对方扩散而达到平衡，于是在p-n结区形成耗尽层。 空 穴 能 量 电 子 能 量 价带 耗尽层 hv RL -Vb p n 自建电场 电子扩散区 漂移区 空穴扩散区 导带

26

27 光电探测器 p-n光电二极管——反向偏置的p-n结 吸收光子，产生电子-空穴对； 在外加电场的作用下，载流子定向传输产生电流；

28 有三个地方可能产生电子-空穴对： p-n光电二极管中电子-空穴对的产生 耗尽区（区域1） ：
电子和空穴在很强的外电场作用下快速移向n区和p区，产生反向电流（从n流向p区）； 在远离耗尽区的地方（区域3）： 由于没有电场，电子、空穴随机运动直到复合。对外电流无贡献 在耗尽区外但临近耗尽区(区域2)： 由于随机扩散，可能进入耗尽区。电子从p区快速地穿过结区，对外电路贡献一个电荷e。空穴类似。

29 p-n光电二极管的响应时间 响应时间的来源： 载流子漂移过耗尽区的渡越时间 电子，wd/ve；空穴，wd/vh。
在耗尽区外产生的载流子的扩散时间， 这个过程的最大允许时间就是载流子寿命 RC时间常数

30 p-n光电二极管的偏置特性 光电二极管的伏安特性 无光照时 有光照时

31 反向偏置 光电二极管的典型工作模式 通常光电二极管工作在强反向偏置模式下，因为：
强反向偏置在结区产生很强的反向电场，可以导致载流子快速漂移，减少渡越时间； 强反向偏置可以增大耗尽区的宽度，可减小结电容，改善响应时间； 耗尽区的增加可增大光敏区域，更容易收集更多的光。

32 p-i-n光电二极管 p-i-n光电二极管的结构、能带分布、电荷分布和电场分布：

33 p-i-n光电二极管的优点 与p-n光电二极管相比，p-i-n光电二极管有下列好处： 增大了耗尽区的宽度，从而增大了可俘获光子的区域；
增大了耗尽区的宽度，可减小结电容，从而可减小RC时间常数；但渡越时间随耗尽区宽度增加了。 减少了扩散长度和漂移长度之比，因此增大了由快速漂移过程携带的电流比例。 可实现的响应时间为数十ps，对应带宽~50GHz。 另外，虽然W增大可提高响应度，但是过大的耗尽区宽度将导致响应速度变慢。因此，耗尽层宽度W要考虑灵敏度和带宽这两个指标合理折衷选取。

34 雪崩光电二极管(APD) 虽然PIN结构通过扩展空间电荷区提高了工作速度和量子效率，但无法将光生载流子放大，信噪比还不够理想。为了检测到微弱的光信号。 是一种具有内部增益、能探测到光电流进行放大的有源器件 APD与PIN不同是在PIN的吸收区i层和n+层之间，插入薄薄的p型层，变成n+pip结构，新加入的p型区是雪崩区。

35 原理：当入射光进入器件产生光生载流子后，光生电子或空穴在高电场区会被电场加速，获得足够高的能量，并同价带中的束缚电子相互碰撞，使他们电离，产生新的载流子，这些新的载流子同样受高电场的作用，获得高的能量，并进一步电离，引起的载流子的倍增现象为雪崩现象。

36 电离系数 电子和空穴碰撞电离的能力用电离系数e,h表示。代表单位长度的电离概率，或电离速率。
电离系数随耗尽区电场的增加而增加，随器件温度的增加而降低，因为温度升高导致碰撞频率的增加，降低了电子获得碰撞电离所需能量的几率。 APD性能的重要指标——电离比 当 k在 增益达到 倍 当 k在0.3-1增益达到15倍

37 APD的设计 要求： APD应使光吸收达到最大。 倍增区应当薄，减少由强电场产生的局部无控制的雪崩。而且在薄层中可以实现更均匀的电场。 隧穿电流小——APD噪声小 吸收区和倍增区分开的APD结构可以满足上述要求——separate-absorption-multiplication(SAM) APD 隧穿电流随禁带宽度增加呈指数变小。

38 倍增系数和响应度 APD一个重要的参量：倍增系数 M=IM/IP 其中，IM为倍增后的总输出电流平均值，IP为初始光电流。 响应度公式：
R0为M=1的响应度。 M与电压和温度有关。

39 响应时间 影响APD响应时间的因素： 渡越时间，扩散时间，RC时间常数 倍增时间，又称为雪崩建立时间
整个雪崩过程的时间是渡越时间和倍增时间m的总合 由于倍增过程的随机性，倍增时间也是随机的。当k=0时（无空穴倍增）， m的最大值为 当增益很大时，

40 Outline 光电探测器的基本原理 光电探测器的特性和结构 硅光电探测器 锗硅光电探测器 光电探测器对光信号的吸收
光电探测器的性能参数 PIN光电探测器 雪崩光电探测器 硅光电探测器 锗硅光电探测器 Ge/Si材料的基本物理特性 Ge材料制备方法 锗硅波导光电探测器

41 硅材料能对850nm波段光有很好的响应，因而在500nm-1000nm波段，体硅光电探测器是理想的选择对象。

42 垂直结构硅 PIN探测器的响应度和响应速度将相互制约。要获得高的响应度，则必须有长的光吸收长度，也就是说在p型层和n型层中间要有厚的低掺杂i层，这会使光生载流子的渡越时间增大，器件的响应速度下降。这一制约关系不解除，则难于制作出高速、具有合适光响应度的硅基PD。 水平结构的PIN探测器使光的传播方向与光生载流子的运动方向垂直，从而可以分别控制光吸收长度和光生载流子的渡越长度。

43 为了提高硅光电探测器的速度，必须使光生载流子处于可以使它们达到饱和漂移速度的强电场中，同时采取措施将不在强电场中的光生载流子屏蔽掉，避免这一部分载流子通过慢过程的漂移或扩散到达PD的电极，影响其响应速度。当然，这会牺牲器件的量子效率，所以在量子效率和响应速度之间要作出合理的折衷考虑。 将探测器制作在SOI上，利用埋层的SiO2，避免在其下面的硅衬底内的光生载流子被探测器收集，影响其速度。

44 解除探测器量子效率与响应速度的制约，制作具有微结构的硅表面，利用光在微结构硅表面处的全内反射，增加光吸收。
制作共振腔增强结构，即将光吸收响应介质材料置于法布里—珀罗腔中，符合共振条件的光将在腔中产生共振，被共振增强吸收。这样，即使是较薄的光吸收材料也能得到较大的量子效率。

45 Outline 光电探测器的基本原理 光电探测器的特性和结构 硅光电探测器 锗硅光电探测器 光电探测器对光信号的吸收
光电探测器的性能参数 PIN光电探测器 雪崩光电探测器 硅光电探测器 锗硅光电探测器 Ge/Si材料的基本物理特性 Ge材料制备方法 锗硅波导光电探测器

46 锗由于其在单晶状态下的带隙为0.66eV，因此可以吸收光波长到1.87μm的光
制作高响应速度、高响应度、低暗电流，响应波长在通信波段 μm的近红外光电探测器，并最终实现高带宽的光电集成接收机芯片一直是人们追求的目标。由于能带结构的固有特性，Si单晶材料对近红外光存在吸收系数低、吸收长度长、对1.1μm以上波段没有响应等问题。 锗由于其在单晶状态下的带隙为0.66eV，因此可以吸收光波长到1.87μm的光

47 Ge/Si材料的基本物理特性 Ge与Si同属IV族元素，尽管硅和锗具有相同的金刚石结构，但它们的晶格常数不同，其中Si的晶格常数为0.5431nm，Ge的晶格常数为0.5657nm，因此，Si衬底上外延生长Ge时，其晶格失配度达4.2％。

48 生长是层状生长，然而随着生长厚度的增加，由于晶格失配，应变能增加，浸润条件不再满足，生长将转化为岛状生长。
在Si上直接淀积纯Ge层所形成的Ge/Si异质结构材料将会不可避免地遇到很大应力，积聚应变能。其能量随着厚度增加而线性增长。当应变层达到一定的临界厚度时，积聚在应变层中的应变能就将会以位错或者表面起伏的形式释放出来，这称为应变驰豫。 位错为电子空穴对提供复合中心，故而提高电子空穴对的复合几率，于是暗电流变大，最终减低光电探测器的性能。

49 Si和Ge晶格失配大，几个原子层就弛豫

50 理论计算表明使用GexSi1-x代替Si作为Ge吸收层的缓冲层的话，这将会显著地改善提高Ge的质量和厚度，对探测器的性能有着重要提升作用。
为了获得较高的响应度，需要一定厚度的Ge吸收层。因此，必须尽量拓展Ge吸收层的临界厚度，这样所得到的较厚的高质量Ge层，便可解决暗电流与响应度之间的矛盾问题。 理论计算表明使用GexSi1-x代替Si作为Ge吸收层的缓冲层的话，这将会显著地改善提高Ge的质量和厚度，对探测器的性能有着重要提升作用。

51 时 直接生长在Si上的Ge带隙缩小，光吸收增强的现象，由Ge和Si的热膨胀系数不同产生的。Ge的热膨胀系数比Si大，当高温生长的Ge层冷却到室温时，Ge就会受到张应力，而应力会影响能带结构，改变Ge的带隙。 一般当张应力 时，直接带隙会从0.8eV缩小至0.77eV，Ge材料的带隙变小将增强对光的吸收，增大Ge的吸收系数，扩展吸收截止波长。这对于提高光电探测器在长波长段尤其是1.55μm波段的响应度有很大裨益。

52 Si衬底的高质量Ge层生长一直是高性能近红外光电探测器制造的基础。不过由于晶格失配和热膨胀失配导致的高粗糙度和高位错密度一直是面临的一大挑战，限制了探测器性能的提高。

53 Ge材料制备方法 外延技术 低温晶片键合&离子切割技术 快速融化生长技术

54 外延技术 组分渐变的SiGe Buffer层工艺
生长Ge组分从0到100％逐渐增加的SiGe Buffer层，使应变逐渐释放，以获得位错密度低的Buffer层，然后在其上生长Ge外延层。 位错密度可以达到106 cm-2量级， 由于表面会有很大的起伏，必须在生长后或生长中间插入化学机械抛光工艺流程，制作的工艺复杂耗时， 以SiGe组分渐变层的厚度将达到10μm以上，这样的材料不利于制作集成器件。

55 外延技术 低温Ge Buffer层工艺 在400℃以下的温度下生长出应力弛豫的Ge Buffer层，厚度约50 nm，然后将衬底温度提高到600℃左右，生长合适厚度的Ge层。 生长后，为了提高材料质量，可以进行循环退火处理。最终获得的材料的位错密度一般在107 cm-2量级的水平，表面的平整度也比较好。 该方法的优点是工艺简单、生长时间短、Buffer层薄、适合制作集成器件

56 应用低温缓冲层技术生长Ge材料时，有两个关键点需要注意：
一是温度控制必须仔细； 二是缓冲层的厚度必须认真把握。 低温缓冲层技术目前使用较为普遍，但是这个方法所带来的位错无可避免，进一步降低位错的空间不是很大 由于淀积高温Ge材料吸收层的温度可能高于450°C，因而与CMOS后端工艺不兼容。

57 外延技术

58 低温晶片键合&离子切割技术 注入的H+离子在注入深度处形成微腔，诱导产生的压力将注入深度以上的Ge薄膜与下面一整块晶片分离开来。
通过运用这种方法所生长的Ge材料没有位错的出现，由此制造出的相应器件所得到的暗电流测试结果低至100nA，十分突出；不过这种方法还是稍复杂，规模生产困难。

59 快速融化生长技术 在硅衬底上淀积一层硅氮化物作为隔离层；利用光刻和刻蚀技术在氮化薄膜上形成一些特定图案作为种子窗口。将Ge材料无选择性的溅射在衬底上，既覆盖氮化物层又覆盖暴露出来的硅层。 300°C下用LPCVD淀积低温氧化物层(LTO)。用快速热退火方法将硅片加热到940°C保持2秒，其中温度上升率为100°C/s。在退火过程中，Ge材料会融化（因为超过了Ge材料的熔点），LTO层充当了微型坩埚作用，盛起了Ge液体使之不会到处流动。不过硅衬底却在这样的温度下仍然保持着固相。自然冷却下来后，便会发生液相外延：Ge就会从Si/Ge交界面的种子窗口（seeding window）一直生长到氮化膜的顶层。

60 这项技术仅仅需要一些快速退火系统和整片晶片加热技术，因此使得相较于低温MBE和低温晶片键合&离子切割技术而言，它更简单，更快捷；不过它也有一些缺点：如高温融化可能与CMOS后端工艺不容。

61 锗硅波导光电探测器 波导型探测器在保持吸收区厚度的前提下可以大大增大吸收长度，将探测器设计成波导型，使用锗探测器作为波导的一部分，由于光的传播和吸收沿着波导方向，而载流子输运则沿着与之相垂直的方向，这种结构允许波导集成的光电探测器显示出高的速率同时可以达到大约100%的内量子效率。 波导集成的光电探测器的器件面积可以比自由区域的光电探测器小十倍，所以对于同样的暗电流密度来说，它的绝对暗电流是非常低的。

62 把波导集成到锗探测器的顶端，光以倏逝波的形式耦合到锗探测器上。 在探测器下面制作出波导，光也是以倏逝波的形式耦合到探测器上。
PIN Ge波导探测器 波导中的光耦合到Ge材料吸收层主要有两种方法：倏逝波耦合和对接耦合 把波导集成到锗探测器的顶端，光以倏逝波的形式耦合到锗探测器上。 在探测器下面制作出波导，光也是以倏逝波的形式耦合到探测器上。 波导端口对准到探测器上，使得探测器成为波导向外延伸的一部分。

63 倏逝耦合的波导探测器 Ge层厚度是1μm，在-1V下有着1μA的暗电流，在波长是1.55μm处有着1.08A/W的响应度
弱点：带宽比较小，只有7.2GHz 它并没有使用SOI衬底，一些电子空穴对可能会扩散出电场驱动区域，在被金属电极收集前随机分布，因此降低了带宽。 较大的电容带来了较大的RC延迟，最终同样降低了带宽。 D. Ahn, C-yin. Hong, J. Liu, W. Giziewicz, M. Beals, L.C. Kimerling, J. Michel, J. Chen, and F.X. Kärtner, “High performance, waveguide integrated Ge photodetectors,” Opt, Express 15, (2007)

64 Intel公司 相较于前者作出了如下几项改动。第一，SOI衬底的使用增强了响应速度，大大降低了暗电流；第二，脊波导的运用带来两个好处：1）脊波导的光场限制与矩形波导类似，2）脊波导更容易引出金属收集板；最后，为了增加耦合效率，他们制造了一个楔形耦合器来增强了对光场的吸收。 T. Yin, R. Cohen, M.M. Morse, G. Sarid, Y. Chetrit, D. Rubin, and M.J. Paniccia, “31GHz Ge n-i-p waveguide photodetectors on silicon-on-insulator substrate,” Opt. Express 15, (2007)

65 对接耦合（butt coupling） 对接耦合更简单，效率更高。Vivien 等人设计了脊波导垂直对接耦合Ge光电探测器，在-4V的偏压下达到了42GHz的惊人带宽，响应度R在1.55μm处也达到1A/W，然而暗电流却也呈指数上升达到33μA，同时偏压较大是另一大缺点。 Feng, D. et al. “High-speed Ge photodetector monolithically integrated with large cross-section silicon-on-insulator waveguide”, Appl. Phys. Lett. 2009, 95,

66 为了进一步改进波导探测器的响应度和带宽，2011年，Kotura公司提出了两种方法来实现
两种结构的Ge层的长度均为10μm，结构A的Ge层的宽度是1.6μm，且锗的顶端只有一个金属电极；结构B的Ge层的宽度是6μm，且锗的顶端有两个金属电极。双重电极可以通过增大电极接触面积来减小接触电阻。为了减少金属电极对光场的吸收，适当增加了Ge材料的厚度来减小光场模分布和金属接触部位的重叠。 在-1V偏压下，A结构和B结构的暗电流分别为2.6nA和11nA，对应的暗电流密度分别为49mA/cm2和22 mA/cm2。同样在-1V偏压下，响应度达1A/W。A结构在-1V偏压下，所测得的3dB带宽达36GHz，这足够用来检测40Gb/s的高速光信号。

67 雪崩型Ge波导探测器 在这个最新结构中，厚度140nm，宽度750nm的Ge层淀积在SiON隔离层上，在隔离层下有约100nm厚的波导。一系列的金属叉指淀积在Ge层上，间隔约200nm。因为Ge的折射率稍高于Si，因此光能成功地通过倏逝波耦合到Ge层。在非常靠近电极处，电场竟可以超过120kV/cm，如此强的电场将足够诱导产生碰撞离子化过程。

68

69 难点：失配大、分凝严重、固溶度低 GeSn可以是直接带 带隙调控范围大 红外材料 晶格调控范围大 晶格常数： Si：0.5431nm
PRB 73, (2006) 晶格常数： Si：0.5431nm Ge：0.5657nm (4.2%) -Sn: nm(19.5%) 难点：失配大、分凝严重、固溶度低

70 光吸收三种主要方式：带间光吸收，自由载流子光吸收和双光子吸收。 描述了两种基本的光电探测器的结构：PIN、APD的工作原理和优缺点。
总结 光吸收三种主要方式：带间光吸收，自由载流子光吸收和双光子吸收。 描述了两种基本的光电探测器的结构：PIN、APD的工作原理和优缺点。 两种探测器：硅光探测器和锗硅探测器。 从Ge/Si材料的基本物理特性出发探讨了获得高质量锗薄膜的几种方法，外延技术、低温晶片键合&离子切割技术和快速融化生长技术。 最近几年国际上研究热点-波导型锗探测器的发展和最新的研究进展。

71 Thank you for your attention