《微米纳米技术前瞻专刊》李玲，张宇峰，等：硅基锗光电探测器的发展现状与未来趋势

李玲

李玲，教授，博士研究生导师。黑龙江省自然科学基金优秀青年项目获得者。主要从事微纳器件与系统的基础研究。电气与电子工程师协会（IEEE）哈尔滨电子器件分会秘书、高级会员，中国微米纳米学会传感器技术分会理事。主持多个省部级科研项目。

张宇峰

张宇峰，教授，博士研究生导师。哈尔滨工业大学航天学院微电子科学与技术系主任。中国微米纳米学会副监事长，中国微米纳米学会微纳传感技术分会副理事长，中国微米纳米学会特种微纳器件与系统分会理事。科技部重点研发计划评审专家。《传感技术学报》和《微处理机》编委。主要从事集成电路芯片设计与集成微系统技术研究。主持20余项省部级科研项目。获省部级奖励二等奖2项，国家专业协会一等奖1项，省部级教学成果奖一等奖1项。出版教材和专著4部，发表论文110余篇，授权发明专利40余件。

5G通信、高性能计算、人工智能及云计算和存储等现代应用带来的爆炸式增长的数据量使得光互连成为主流趋势和技术。光互连在带宽、可靠性、低时延、抗干扰能力、可扩展性、节能环保等方面具有显著优势，可以实现超大容量、超长距离的信号传输，满足通信系统对传输带宽和功耗的苛刻要求。硅基光电子技术是光互连的最佳技术选择。硅基光电子是基于硅衬底制造光子集成电路的平台，起源于克服电子数据传输的限制。应用该技术可以实现更低的功耗和更高的数据带宽而且更易与现有硅基电子器件集成。经过几十年的发展，包括波导、耦合器、移相器、调制器和光电探测器等硅基光电子器件已经较为成熟，在光通信等领域广泛应用。

然而，传输容量和速度的不断提高对光互连系统中关键光器件的性能要求越来越高。用于实现光信号到电信号转换的硅基光电探测器是关键器件之一，在光通信和信息处理系统中举足轻重，特别是具有技术优势的硅基锗光电探测器。锗材料具有高电子迁移率和覆盖通信波段的截止波长，有利于实现器件的高响应速度；锗薄膜的制备工艺与互补金属氧化物半导体（Complementary Metal-oxide Semiconductor, CMOS）技术兼容，可以有效降低成本，提高器件可靠性。根据光入射方式和应用场景的不同，硅基锗光电探测器包括面入射和波导耦合两类常主流器件结构。面入射结构光耦合简单高效，使用灵活，适用于光通信、光互连、光传感的光接收模块。波导结构硅基锗光电探测器易与其他光波导器件集成，适用于片上光互连等应用。近年来，随着锗材料的外延技术的成熟，硅基锗光电探测器飞速发展。2021年德国亨利·庞加莱研究所报道了目前为止具有最高3 dB带宽的硅基锗光电探测器，该探测器基于PIN结构，3 dB带宽高达265 GHz。

文章回顾国内外硅基锗光电探测器的发展历程，阐述光电探测器的基本概念，包括类型、原理和制造工艺等；基于面入射和波导两种硅基锗光电探测器的典型结构，总结最新研究成果以及促进发展的相关技术和挑战，重点从提高硅基锗光电探测器的响应度、带宽、暗电流等关键性能出发分析相关的关键设计和新兴技术，系统梳理硅基锗光电探测器发展进程中的技术创新，展望未来硅基锗光电探测器的发展趋势、热点技术与研究方向。

硅基光电探测器用于将光信号转换为电信号，是光电链路的基本组成部分之一。硅基探测器在生物传感、自由空间通信、气体检测、环境监测、军事、医疗等领域具有广泛应用前景。硅基光电探测器中光生载流子的产生取决于半导体材料的光吸收，与光子的能量密切相关。纯硅探测器是最先出现的硅基探测器，但是硅吸收截止波长只有1.1μm，无法实现光通信波段的有效探测。因此，锗和Ⅲ-Ⅴ族探测器受到关注。锗光电探测器与CMOS兼容带来的显著成本优势成为硅基平台集成的首选。在军事应用中，红外波段的硅基锗光电探测器有着精确探测和跟踪目标的能力，可用于导弹制导和红外成像等。现今，新型的硅基锗光电探测器正以其超高的灵敏度、大响应度、高集成度、高可靠性、低成本和小尺寸，准备进军军用智能探测的新天地，预示着作战能力的巨大跃升。

硅基锗光电探测器通常采用反向偏压PIN结构或雪崩结构。PIN结构是在传统的P-N光电探测器上简单地添加一个本征层。由于大部分压降的存在，本征层区能有效收集光产生光生载流子。本征区还能有效增大耗尽层和空间电荷区的宽度，降低载流子穿过畴势垒区的难度。由于增大了耗尽层的厚度，PIN结构可以承受更大的电压降，从而提高了反向耐压能力。雪崩结构则是在PIN光电探测器上再添加P掺杂层。当偏置电压超过冲击电离阈值时，就会触发雪崩光电探测器的内部增益，因为自由载流子在进入倍增区后速度和能量都会增大，并激发更多的电子和空穴从价带进入导带。随着锗外延工艺的提升，越来越多的高性能硅基锗光电探测器出现。近年来，科研工作者更是尝试通过锗材料高拉伸应变生长和引入锗锡材料并调节合金的组分配比等方法进一步扩宽锗系探测器的响应波段，拓展其中红外应用场景。

硅基锗光电探测器主要有两种耦合方案：表面法向耦合和边缘耦合（也称为波导耦合）。在表面法向耦合结构中，光通常通过自由空间耦合光波导直接注入吸收区域的表面。表面法向耦合结构分为顶部耦合和底部耦合，其中顶部耦合占主导地位。该结构中，光入射方向与PIN结构的方向一致导致系统的带宽和响应度之间相互限制，需要使用足够厚的本征层以确保吸收足够的光，从而实现高响应度。然而，厚本征层会增加载流子渡越时间，从而降低器件带宽。早期的面入射锗光电探测器研究，往往采用较小的有源区和较低的吸收层厚度，以提高光电探测器在特定波长的带宽。早在2009年，德国斯图加特大学通过减小尺寸研制出3 dB带宽高达49 GHz的面入射锗光电探测器。然而，其响应度却只有0.05 A/W，不适合实际数据传输。结果表明，简单的尺寸优化无法实现兼具高带宽和高响应性的光电探测器，因此近年来研究人员尝试通过集成光学微结构提高薄吸收层的光吸收率，并取得显著成果。

在边缘耦合中，光从吸收层的边缘耦合到波导光电探测器中。载流子漂移方向与光注入方向的解耦使器件同时具有高带宽和高响应度。集成波导光电探测器因其简单易用、性能卓越而成为目前硅基光电子平台的首选。波导耦合又包括直接对接耦合和消逝波耦合。对接耦合是传统的耦合技术，即把锗吸收层直接连接到硅波导上，硅波导的光直接照射到锗吸收层的端面。通过优化的对接耦合，可以使垂直PIN锗光电探测器的响应率超过0.6A/W，带宽达到21.5GHz。Vivien等更是报道了一种在-4 V时3dB带宽达到42GHz对接耦合光电探测器，其在1.55μm波长下的响应高达1 A/W。然而，一般情况下为了实现有效的对接耦合，需要相对较厚、较宽和较长的锗区域，而且该结构中光吸收发生在锗区域的前端，不可避免地会降低器件的其他性能。

利用消逝波耦合可以有效缓解上述问题。在这种光电探测器中，光信号通过硅波导到达位于其下的锗吸收材料。然后，光信号穿过消逝场，到达折射率高于硅的锗吸收层。为了提高耦合效率，光电探测器有时会与光栅耦合器集成。消逝耦合可以改变锗区域内的光场分布，从而有效减少空间电荷效应的发生，并在不影响带宽的情况下提高量子效率。在片上光互连中，消逝波耦合光电探测器是当前行业标准中的热门选择。Ramaswamy等利用消逝波耦合演示了生长在硅脊波导上的高饱和电流的锗光电探测器。该研究在光电流为60 mA、反向偏压为7 V时，频率为1 GHz，可提取的最大射频功率为14.17 dBm。然而，锗区域光场分布不均的问题依然存在。目前，优化的锥形波导结构和采用多模干涉波导或弯曲波导等提高硅基锗波导探测器性能具有广阔的前景。

硅光子平台上的高性能锗光电探测器的工艺技术至关重要。根据工艺流程与基础结构，硅基锗光电探测器包括面入射结构、垂直PIN结构和横向PIN结构。耦合结构简单的面入射硅基锗光电探测器最先出现，其基本加工流程包括薄膜层沉积、蚀刻一阶和二阶台面、沉积钝化层、打开窗口和沉积电极等。近年来，为进一步提高面入射硅基锗光电探测器性能，有研究引入了表面微结构加工。早在2005年，德国斯图加特大学报道了在硅衬底上利用缓冲层方法生长的面入射锗光电二极管，其直径为10 μm，锗区厚度仅为300 nm，具有易与硅电路集成的潜力。在850、1 298和1 552 nm处分别表现出23%、16%和2.8%的零偏置外部量子效率，入射波长为1 552 nm的最高带宽为38.9 GHz。国内关于硅基锗光电探测器的研制相对较晚。2009年中国科学院半导体研究所研制出国内首个硅衬底上的高速硅基锗光电探测器，该探测器在1 310、1 550 nm波长的光响应度分别为0.38、0.21 A/W，最高3 dB带宽仅为6.28 GHz。

垂直PIN硅基锗光电探测器是一种最初发展的波导探测器，其主要特征是分别在硅和锗区实现N和P掺杂，光生载流子渡越时间受吸收区厚度影响。其工艺流程如图1（a）所示，包括绝缘体上硅（Silicon on Insulator, SOI）衬底上蚀刻基本光学结构，如单模波导和光栅；顶硅掺杂，包括注入少量硼形成P轻掺杂区，并在金属接触区注入更多硼形成用于欧姆接触的P重掺杂区；P掺杂硅上选择性生长锗薄膜是一个关键步骤，锗薄膜的外延质量直接影响光电探测器的暗电流；锗吸收区的顶部注入磷，形成重掺杂的N区；分别在N区和P区打开接触孔，然后填充金属。垂直PIN硅基锗光电探测器带宽性能受制于探测器尺寸和寄生参数。2012年美国华盛顿大学Gould等提出利用增益带宽的方法提升器件带宽。国内关于垂直PIN硅基锗光电探测器的研究近年来不断发展，2021年华中科技大学Shi等实现了3 dB带宽高达80 GHz的硅基锗光电探测器研制。

图1 垂直PIN硅基锗光电探测器工艺流程

为实现带宽和响应度等性能的进一步提升，2015年，Chen等提出了在硅上进行P、N掺杂的横向PIN探测器。制造横向PIN探测器的工艺也是从SOI硅片开始的。P型区和N型区分别通过离子注入硼和磷获得。对硅腔进行蚀刻，在底部留下几十纳米厚的硅层。然后在空腔内选择性地生长锗层，并使用其厚度减至数百纳米。之后，沉积一层厚的氧化物层，用于钝化和隔离锗。最后，将通孔图案化并蚀刻到掺硅区域。还可进行硅化处理，增强接触电阻。Ti/TiN/W叠层用于创建金属插头。电极是图案化的AlCu层。

面入射硅基锗光电探测器光耦合结构简单高效、使用灵活，是最先出现的硅基锗光电探测器，其适用于光通信、光互连、光传感的光接收模块。国内该探测器的研究相对较晚，但是近年来发展快速，目前相关技术较为成熟，已逐渐从科研转向产业化。借助于硅光成熟的大尺寸晶圆制造工艺，器件在可靠性、良率和成本等方面具有优势。随着光通信等领域对高性能探测器的需求越来越大，利用光学技术缓解面入射硅基锗光电探测器光吸收率与带宽的矛盾，提高器件相关性能成为研究重点。

将谐振腔增强技术应用于光电探测器可任意有效提高探测器光电转换效率，在谐振腔增强型硅基锗光电探测器中，吸收区放置于法布里-珀罗谐振器内，上下共振结构可实现特定波长的共振增强吸收，提高薄锗吸收层的光吸收率。在相关研究中，通过在SOI基底上沉积抗反射层并用金属电极覆盖器件的大部分正面实现谐振腔增强。2017年，Liu等利用硅/氧化硅在SOI衬底上的界面反射形成谐振器，实现了谐振腔增强型硅基锗光电探测器，其响应度为0.27 A/W，3 dB带宽扩展到48 GHz。Ghosh等在绝缘体锗平台上实现了谐振腔锗光电探测器的设计。目前，国内外相关研究均取得了显著的成果，但是谐振腔探测器的实用性仍然面临挑战，包括探测器需要在几纳米波长内精确匹配光源；数据中心的光链路的温度波动影响谐振腔增强型硅基锗光电探测器吸收波长等。这阻碍了谐振腔探测器在光学接收器中的应用，而且光电探测器表面需要使用反射涂层创建谐振结构增加了工艺复杂性。

光栅导模共振是由于光栅衍射中波导模与光栅参数匹配而产生的一种具有强耦合共振的衍射现象，通常出现在衍射光栅与波导层共存并紧密耦合的微纳结构中。通过在锗上表面制作光栅导模共振微结构，将光栅导模共振技术应用于硅基锗光电探测器是提高薄锗吸收层的光吸收的另一种有效手段。Zhu等利用该技术增强了超薄硅基锗探测在1.55 µm 波长的探测能力。通过在薄（200 nm）锗薄膜上部分蚀刻方孔（深度50 nm）形成的简单光栅结构（图2（a）），该正方形“网状”几何结构实现了正常入射条件下的偏振无关性，通过优化微结构尺寸实现了1 550 nm目标波长的最大光吸收。国内光栅导模共振增强型硅基锗光电探测器的研究效果明显，成步文课题组利用SOI上的锗/二氧化硅晶格，实现了光栅导模共振增强型锗光电探测器的理论模拟和仿真计算。该探测器吸收效率提升了35倍（图2（b））。在上述结构中，仅利用几个光栅周期就显著改善了光吸收，少量光栅周期表现出的最小光衰减导致理论带宽大幅增加，约为66 GHz。目前，国内外关于光栅导模共振的硅基探测器多处于理论模拟阶段，受制于工艺技术和锗层顶部和底部表面存在很强的漏模场等技术难题，给光栅导模共振增强型硅基锗光电探测器的实际应用带来挑战。

图2 光电探测器的三维示意图和吸收光谱

光学超表面是一种人工的分层电磁结构，由亚波长金属或电介质纳米结构以独特的方式排列而成。利用纳米粒子之间的耦合相互作用，使光学超表面阵列的周期与纳米粒子的共振波长一致，可以激发晶格共振并产生额外的窄共振特性。近年来，光学超表面增强型硅基锗光电探测器受到广泛关注，优化光学超表面结构并将其与硅基锗光电探测器集成，实现了1550 nm高效探测。2018年，Cansizoglu等将光学超表面与光电探测器集成，报道了具有光子捕获微孔的高性能硅基锗光电探测器。该光电探测器的外部量子效率在1 300 nm波长处超过80%；在1 550 nm波长处超过73%。不过，该锗层厚度为2 μm。2021年，华中科技大学Song等实现本征吸收层厚度为350 nm、直径为14 µm的具有光子晶体结构的硅基锗光电探测器，光子晶体结构促进多个共振的重叠，从而扩大波长覆盖范围，导致整个C波段的量子效率约为50%。该探测器在1 550 nm波长和33 GHz带宽下具有0.62 A/W的高响应度，其探测器示意图与实物扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）图像，如图3所示。研究证明了光学微结构提升硅基锗光电探测器性能的可行性，但由于在锗表面制作光学微结构复杂性很高，而且其他器件性能可能会下降。例如，孔阵列的填充因子越高，暗电流密度越大，因此有必要进行进一步的研究和创新。表1总结了近年典型面入射硅基光电锗探测器的性能参数。

图3 光学超表面增强型硅基锗光电探测器

表1 典型面入射硅基锗光电探测器总结

Table 1 Typical surface incident silicon-based germanium photodetectors

波导耦合型光电探测器可以有效缓解响应度与带宽的矛盾，实现探测器的高性能化和高集成度，满足硅基光电子集成芯片发展的需求。波导耦合型光电探测器发展迅速，已经逐渐成为硅基光电探测器的研究重点，各种新型结构和新兴技术的应用正在不断拓宽硅基锗光电探测器的应用前景。目前，关于硅基锗波导光电探测器的研究包括各性能的提升，重点为响应度、暗电流和带宽。国内硅基锗波导光电探测器自问世以来发展迅速，但与国际水平相比，在技术和产业化上仍有明显差距，提出新型探测器设计以及提高相关硅光工艺技术是目前实现硅基光电探测器发展的关键。

3.1 高响应度的硅基锗光电探测器

响应度是光电探测器的一个重要参数，提高响应度可以增强光电探测器的灵敏度和整体性能。提高探测器响应度的首选是优化光耦合结构，提高波导耦合效率，最终实现锗吸收区的高效光吸收。最初研究重点是设计和优化对接耦合结构。Vivien等通过优化对接耦合结构，实现了在-4 V时3 dB带宽为42 GHz，响应高达1 A/W的硅基锗光电探测器。然而对接耦合存在弊端，实现高效对接耦合不可避免地会降低其他器件性能。因此，作为一种可克服上述问题并确保器件高吸收率的新型耦合方法——消逝波耦合出现。消逝波耦合可显著降低光损耗（图4（a）），特别是当锗层在波导上方或下方形成波导，目前消逝波耦合成为波导探测器的首选。此外，光学微结构也用于提高波导锗光电探测器的响应度（图4（b））。Chen等提出了一种新型光捕获结构，用于实现兼顾高带宽和高响应度的硅基锗波导光电探测器。该探测器的3 dB带宽为67 GHz，1 520~1 560 nm波长的响应度约为1.05 A/W。

图4 高响应度的锗光电探测器

为提高光通信系统的传输速率和传输容量，充分发挥光互连系统的带宽优势，提高硅基锗光电探测器的带宽已成为近年来的一个重要研究领域。硅基锗光电探测器带宽性能主要受载流子渡越时间及寄生参数影响，因此优化器件结构以缩短载流子的传输时间，以及使用增益等技术降低器件的寄生参数是主要研究方向。最初，波导锗光电探测器多采用制备工艺简单的垂直PIN结构，Yin等制造了第一个实用的高速垂直PIN硅基锗光电探测器，该光电探测器的3 dB带宽为31.3 GHz，响应度为0.89 A/W。然而，该结构需要在锗基底的顶端进行大量掺杂实现欧姆接触，所以器件尺寸偏大，寄生参数上升。

小型化探测器和优化探测器的等效电路可以降低其寄生参数。但是器件面积变小会导致内部发热增加，对器件的输出功率产生负面影响。2012年，Gould等证明引入电感元件可以抵消部分电容充放电过程并产生增益峰值，在不影响其他性能的情况下实现带宽的提升。理论分析表明，增益峰值技术可将带宽提高200%。之后，该技术不断改进和实际应用。2021年，Shi等利用峰值增益技术实现3 dB高达80 GHz的垂直PIN探测器，其光响应度为0.89 A/W。该结构的三维示意图和等效电路图分别如图5（a）和5（b）所示。

图5 高响应度的锗光电探测器

早在2015年，Chen等提出了在硅上进行P、N掺杂的横向PIN探测器。虽然最初的设计是为了提高光电探测器的响应度，但随后的研究表明，该结构中锗吸收区可以非常窄，有助于提高锗光电探测器的带宽。2019年，Benedikovic等蚀刻P型和N型硅区域形成硅空腔并在空腔内选择性地生长锗层，实现了与硅调制器工艺兼容的锗光电探测器。该光电探测器的响应度为1.1 A/W，3 dB带宽超过50 GHz。另外，Lischke等优化了横向PIN结构的波导锗光电探测器的设计和掺杂工艺（图5（c）），报道了带宽高达265 GHz的锗光电探测器，创下了带宽的最高纪录。然而，由于锗吸收区与光场之间的重叠面积较小，而且器件长度较短，因此探测器无法充分吸收光信号。在1 550 nm波长下，该器件的光响应度降至0.3 A/W。

3.3 高饱和功率的硅基锗光电探测器

尽管锗光电探测器在过去10年经历了前所未有的发展，但大多数研究都集中在暗电流、响应度和带宽的改进上，锗光电探测器的高功率入射问题有待解决。传统的对接耦合波导探测器在高功率光输入时内部光场分布不均匀，增大了空间电荷效应和热效应，导致探测器的性能下降。针对该问题，已经提出了几种解决方案，包括利用单光子探测器结构、行波探测器结构及使用特定的光学结构增强锗区域的吸收。

单光子探测器中只有一种光生载流子（电子）用于形成漂移电流，可以降低载流子的峰值强度，抑制耗尽区的空间电荷效应进而提高光电探测器的带宽和饱和光电流。Pielsd等报道了第一个波导耦合的硅基锗单光子探测器。单光子探测器具有未耗尽的吸收区和在更宽的带隙材料中附加的耗尽层。在40 GHz时，光电探测器显示1.5 mA的-1 dB电流。在硅/锗材料系统中，单光子探测器的优势在于其允许在横截面设计中增加自由度，将带宽和饱和输出功率解耦。然而，该方法的一个缺点是在锗上生长扩散阻断层是一项具有挑战性的任务。

另一种可行的方法是设计分布式电路架构，将光功率分配给多个光电探测器，如光电探测器阵列和行波光电探测器。由于有源吸收区的总面积远大于集成电极结构的单个吸收结构，可以显著提高器件的饱和输出功率。Wu等提出了一种非周期性加载技术，增强硅分布式行波光电探测器的射频输出功率。该方法的特点是行波电极具有无障碍输入，防止光电探测器阵列的光电流分流。另外，为了在保持高线性度的同时实现紧凑型功率分配，Bogaert等在iSiPP25G SiPh平台上设计了一种探测器，集成了一个单片星形耦合器。通过分布式电路架构，实现了高功率锗光电探测器，但是该方法也存在局限性。限制之一是器件结构和制造工艺的复杂性增加。设计和制造分布式电路架构通常涉及更复杂的布局和额外的加工步骤，而且还会增加信号损失和降低效率。

此外，还有研究人员通过优化光电探测器内的光场并确保其均匀性，提高光电探测器的饱和功率和带宽。2019年，Zuo等利用具有锥形结构的多模干涉器件将光功率导向锗区域。通过将集中的光功率从锗前端移开，优化了锗区域的光分布，光电流产生量提高了53%，带宽提高了19倍以上。Cui等进一步优化了双注入集成锗光电探测器的长度等设计，硅基锗光电探测器在入射功率为50 μW的1 550 nm波长下响应速度为1.07 A/W，带宽为37.3 GHz。Zhou等则通过引入额外的电场实现光生载流子的均匀空间分布，在大功率条件下，光电探测器的信号带宽较小，为25 GHz，1 dB压缩电流为1.7 mA。总之，研究人员提出并成功展示了光学设计解决方案，旨在实现光电探测器中光功率的均匀空间分布。然而，这些方法无疑增加了工艺的复杂性，因此提出更简单的工艺制造高饱和功率硅基锗光电探测器是必要的。表2总结了近年典型硅基锗波导光电探测器的性能参数。

表2 典型硅基锗波导光电探测器总结

Table 2 Typical silicon-based germanium waveguide photodetectors

硅基光电子是光子学和光互连的重要平台之一，利用先进成熟的CMOS技术将微电子和光电子集成在硅芯片上，其满足了光电子技术发展的需求，应用场景不断扩大。为了提高光通信系统的传输速率和传输容量，充分发挥光互联系统的优势，多种先进技术得到了广泛应用。因此，对相关关键器件的性能期望有所提高，高集成度、高可靠性、低成本、小尺寸是硅基光电子器件的发展趋势。硅基锗光电探测器作为硅基集成光电系统的核心器件，因其优越的电学和光学性能，以及与CMOS工艺兼容所带来的成本优势而备受关注。在过去的20年中，硅基锗光电探测器得到了充分的发展。但是匹配新技术、提出新型探测器结构设计和实现工艺技术创新以满足光互联等领域对高性能硅基锗光电探测器的需求，成为当今硅基锗光电探测器发展的重要问题。展望未来，在这一研究领域有许多挑战需要解决，主要集中在以下3个方面。

1）研发兼具高响应度和高带宽性能的新型硅基锗光电探测器

随着光互连技术的发展，权衡硅基锗光电探测器重要性能，实现兼具高响应度和高带宽的面入射硅基锗光电探测器是必要的挑战。针对高响应度和高带宽之间的矛盾，未来需研究光学超表面、光学谐振器和导模光栅等技术与硅基锗光电探测器的集成，并提出适应现有微纳加工工艺的设计方案。具体为在锗吸收区表面制备亚波长尺度的光学微型结构，实现薄吸收层探测器的增强光吸收，通过理论分析、仿真模拟等手段联合确定光学微结构在不同波长处对硅基锗光电探测器的增强作用，明晰光学微结构实现光场共振的机理。另外，还需探索现有微纳加工技术的优化升级。目前，制造工艺的限制使相关研究多停留在理论仿真阶段，部分研究中实际研制的探测器性能与理论值相差甚远。因此，开发高性能的面入射硅基锗光电探测器需要在高效的设计和制造方法方面协同努力。此外，还需探索硅基锗波导光电探测器电阻-电容（Resistance Capacitance, RC）寄生参数和吸收尺寸之间的平衡，以最小化探测器的RC寄生参数和高带宽性能为目标，考虑器件的寄生参数、暗电流等性能平衡，研究新型硅基锗波导光电探测的优化设计准则，发展硅基探测器理论。另外，深入研究雪崩效应，优化探测器掺杂模型实现硅基锗雪崩光电探测器设计优化是进一步增强探测器性能的一大研究热点。

2）研发低暗电流硅基锗光电探测器，发展高灵敏应用

降低暗电流和提高灵敏度，拓展硅基锗光电探测器应用场景，实现弱光输入的高灵敏度探测是未来面临的又一大技术挑战。低暗电流硅基锗光电探测器可以最小化射频和热噪声并保持输入信号，显著降低光子集成芯片的整体功耗，提高光接收器的灵敏度。实现低暗电流硅基锗光电探测器对制备工艺和器件结构，特别是对暗电流有显著影响的锗外延技术提出巨大挑战。针对低暗电流硅基锗光电探测器研发，需优化硅基锗外延技术，优化分子束外延等方法，减少外延锗层的杂质和缺陷，实现高质量锗生长，提高硅/锗界面。同时，优化提高钝化技术，包括化学处理或减少薄膜表面缺陷和悬空键等，降低暗电流的水平。另外，通过优化器件尺寸、电极结构和掺杂，探索新的加工技术，如先进的光刻和掺杂方法，显著降低暗电流。

3）拓宽锗光电探测器响应波段，拓展中红外应用

针对中红外光子学在生物传感、自由空间通信和气体检测等领域的应用潜力，拓宽锗光电探测器响应波段是未来需要重点关注的研究方向。锗锡是Ⅳ族硅基半导体材料，通过调节合金的组分配比，其光学带隙可延伸至中波红外，是制备硅基中红外光电子器件的理想材料。因此，针对锗光电探测器响应波段调控优化，需实现高质量锗锡材料生长，解决硅基衬底上外延锗锡薄膜存在晶格失配和锡易分凝等难题，并完成相关高性能探测器研发。另外，研究硅/锗材料的应变工程，通过应变控制改变锗材料带隙也是拓宽锗光电探测器响应波段的一种方法，中红外探测器的工作对未来实现硅基红外光电集成芯片具有重要的科学意义。

总之，当前中国硅基光电子行业应立足自我，以研发高性能硅光器件为导向，以实现高集成度、高性能、低成本光探测芯片国产化，迎接光通信新挑战。建议推进光探测芯片中关键器件——硅基锗光电探测器的研发进程，加强新型器件的创新研发，以促进硅基光电子工艺的全面升级。特别地，应注重简化新型器件工艺复杂度，研制低成本、高性能的硅基光电子器件，从而推动高品质、低成本的国产光芯片行业实现快速发展。

硅基锗光电探测器具有波长范围宽、光检测效率高、暗电流低、响应速度快等特点，并且易与硅集成。因此，引入硅基锗光电探测器可以有效解决SOI平台上的光电转换问题。此外，随着光互连技术向高带宽、高集成度、低功耗和低成本方向发展，更高性能和多性能平衡的硅基锗光电探测器成为未来研究的重点。

文章介绍了在基于硅基光电子平台的锗光电探测器的发展历程、基本概念和指标。此外，还总结了高性能硅基锗光电探测器，重点介绍了器件结构设计、性能提升和制造工艺。最后，展望硅基锗光电探测器的发展前景，并分析了前景广阔的研究领域。目前，面入射硅基锗光电探测的研究重点仍然是解决响应速度与带宽之间的矛盾。波导光电探测器的研究重点则是实现高带宽、响应度和功率处理等，而如何实现性能之间的平衡仍然是难点。