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刘志鹏 刘智 成步文
中国科学院半导体研究所光电子材料与器件重点实验室 中国科学院大学材料科学与光电技术学院
摘要
随着通信数据传输量呈指数级增长，光互连技术取代传统的电互连技术，已成为中长距离低损耗高速传输的主流技术。光电探测器作为光接收端的核心器件，对其高速性能的要求越来越高。其中，波导耦合的光电探测器尺寸小带宽高，且易与其它光电子器件进行片上集成，是高速光电探测的研究重点。传统高性能的InGaAs 光电探测器和发展迅速的Ge/Si光电探测器各具特色，是最具代表性的近红外光通信波段光电探测器。本文主要介绍了这两类波导耦合光电探测器的研究进展，包括典型的器件结构和性能，以及提升带宽等性能的主要途径。
1 引 言
随着现代移动互联网的发展，信息传输量呈指数型增长，电互连显示出其局限性，难以满足信息系统中海量数据传输对带宽和速率的需求。光互连以光子为信息传输媒介，以其低损耗高带宽的优势，逐渐取代电互连成为中长距离低损耗传输的主流技术。完整的光互连通信系统由光发射端、光传输链路和光接收端构成，其中光电探测器是光接收端的核心器件[1-4]。
光电探测器的核心指标主要有响应度、暗电流和3dB 带宽等，其中3dB 带宽直接决定了器件的工作速度上限。光电探测器的3dB 带宽主要由载流子渡越带宽fT 和器件电阻-电容（RC）带宽fRC 共同决定，下方给出了光电探测器3dB 带宽的估算公式[5]。
其中，vsat 是材料中光生载流子的饱和漂移速度，di 是探测器本征区宽度，C 为器件的电容包括结电容和寄生电容，RL 和RS 分别为负载电阻（通常为50欧姆）和串联电阻。由上述公式可知，为了提高探测器的3dB 带宽，实现高速光电探测器，需要同时提高器件的载流子渡越带宽和RC 带宽。提高载流子渡越带宽最简单的方式是减小本征区的宽度，而提高RC 带宽最常见的途径是缩减器件尺寸，降低结电容。然而，光电探测器中带宽和响应度之间存在着制约关系，即减小探测器本征区宽度和器件尺寸会引起材料的光吸收不充分，导致响应度的降低。面入射光电探测器由于其入光方向平行于载流子的传输方向，带宽和响应度之间制约会更加严重。虽然面入射光电探测器的光耦合简单高效，使用比较灵活，适用于器件分立使用的光通信、光互连、光传感的光接收模块等[6-9]。但由于其受光面尺寸的限制，以及响应度和带宽之间的制约，通常难以实现实用化（受光面直径不小于16μm）的高速光电探测器。当前商用面入射探测器的最高带宽普遍在35GHz 左右，可应用于56Gaub/s 的应用场景。波导耦合型探测器由于光传播方向与载流子渡越方向相垂直，可以大幅缓解响应度和带宽之间的制约，进而实现更高速的光探测。且波导耦合结构的光电探测器易于与其它光波导器件集成，更适用于片上光互连等应用[10-12]。因此，波导耦合结构的光电探测器是本文介绍的重点。
光通信领域高速光电探测器主要有采用III-V 族材料制备的InGaAs 光电探测器和采用IV族材料制备的全Si 和Ge/Si 光电探测器。前者是传统的近红外探测器材料，长期以来占据主导地位，后者则依托硅光技术成为后起之秀，是近年国际光电子研究领域的热点。此外，钙钛矿、有机及二维材料等新型探测器由于加工便捷、柔韧性好、性能可调谐等优点也发展迅速[13, 14]。这些新型探测器与传统的无机光电探测器在材料特性和制造工艺上存在显著差异。钙钛矿材料探测器具有优异的光吸收特性和高效的电荷传输能力，有机材料探测器则以其低成本和柔性电子应用见长，而二维材料探测器则因其独特的物理性质和高载流子迁移率而备受关注。然而，与InGaAs 和Si/Ge 探测器相比，新型探测器在长期稳定性、制造成熟度和集成性等方面仍需进一步研究和改进，由于篇幅限制，不展开讨论。因此，本文根据材料体系和器件结构，分别对以上光电探测器做简单介绍。
2 InGaAs 光电探测器
InGaAs 是实现高速高响应光电探测器的理想材料之一。首先，InGaAs 是直接带隙半导体材料，并且其带隙宽度可以通过In 和Ga 之间的比例进行调控，实现对不同波长光信号的探测。其中，In0.53Ga0.47As与InP 衬底晶格完全匹配，且在光通信波段具有很高的光吸收系数，在光电探测器制备中应用最为广泛，暗电流和响应度性能也最为出色。其次，InGaAs 和InP 材料都具有较高的电子漂移速度，二者的饱和电子漂移速度都约为1×107cm/s[15]，同时InGaAs和InP 材料在特定电场下存在电子速度过冲效应，其过冲速度分别可以达到4×107cm/s[16]和6×107cm/s[17]，有利于实现更高的渡越带宽。目前InGaAs 光电探测器是最主流的光通信用光电探测器，在市场上以面入射的耦合方式居多，25 Gaud/s 和56 Gaud/s 的面入射探测器产品已经实现了国产化。更小尺寸、背入射、高带宽的面入射探测器也被研制出来，主要用于高速高饱和等方面的应用[8, 9, 18, 19]。然而，面入射探测器由于其耦合方式的限制，难以与其他光电器件集成。因此，随着光电子集成化需求的提升，性能优秀且适用于集成的波导耦合InGaAs 光电探测器逐渐成为研究重点，其中商用70GHz 和110GHz 的InGaAs光电探测器模块几乎都是采用波导耦合结构。根据衬底材料的不同，波导耦合InGaAs 光电探测器主要可以分为InP 基和Si 基两类。在InP 衬底上外延的材料质量高，更适合高性能器件的制备。而在Si 衬底上生长或键合的III-V 族材料，由于InGaAs 材料与Si 衬底之间的各种失配，导致材料或界面质量相对较差，器件的性能仍然有较大的提升空间。
2.1 波导耦合InP 基InGaAs 探测器
InP 基InGaAs 探测器常见的结构为PIN 结构，通过在PN 结中引入一层掺杂浓度很低的本征区（i 区），来提高光电探测器的光电转换效率和响应速度。当光从波导耦合进探测器后，在吸收区被吸收，产生光生电子和空穴。光生电子和空穴在电场的作用下向电极移动，产生光电流。光入射方向和光生载流子的输运方向垂直，有效缓解了响应度和带宽的制约关系。PIN 结构中，InGaAs 材料同时作为吸收区和耗尽区。2007 年，德国柏林弗劳恩霍夫电信研究所的Bach 等研究人员报道了基于PIN 结构的波导耦合高速光电探测器[20, 21]。器件的吸收/耗尽区由200nm 的In0.53Ga0.47As材料构成，波导器件的尺寸分别为5×20μm2 和4×7μm2，并且采用了50 欧姆的负载电阻。有源区尺寸为5×20μm2 的器件带宽为85GHz，大尺寸器件的高速性能主要受限于RC 时间常数。而有源区尺寸为4×7μm2 的器件带宽则达到了145GHz，但响应度也从0.52A/W 下降至0.35A/W。2015 年，该课题组又报道了可以工作在O 波段到L波段的波导耦合InGaAs 光电探测器[22]。器件在C 波段和O 波段的响应度分别为0.45A/W 和0.5A/W，在5V 的反偏电压下，暗电流仍表现出小于2nA 的优秀性能。器件在2V 的反偏电压下，3dB 带宽为130GHz。对于小尺寸的InP基的PIN 型光电探测器，器件的RC 带宽很高，其带宽主要受到载流子渡越的限制。这是由于吸收区产生的光生电子和空穴都需要完成渡越，但是空穴的漂移速度却远远小于电子的漂移速度，因此空穴的输运成为制约InGaAs 光电探测器高速性能的主要因素。PIN 型结构无法解决空穴渡越时间的限制，同时在强光的照射下，空穴输运缓慢也会产生堆积从而屏蔽电场，也不利于提高器件的饱和性能。
为了解决空穴输运的问题，1996 年Davis等研究人员提出了仅利用电子在耗尽区完成渡越的结构[23]，即单行载流子探测器（Uni-traveling-carrier Photodiode, UTC-PD）。与PIN结构不同，UTC-PD 结构中，电子和空穴实现了渡越的分离。本征的吸收区被p 型掺杂的InGaAs材料替代，当光被耦合进吸收区后，产生光生电子和空穴。由于吸收区进行了p 型掺杂，光生的非平衡空穴仅仅对该区域的介电平衡产生了一个扰动。在介电弛豫时间内，等效的空穴被p 电极收集，恢复介电平衡，即相当于空穴渡越完成，而介电弛豫时间非常短暂，此时光生载流子的输运带宽仅由光生电子的输运时间决定。UTC 结构中，电子的输运包含两个过程，首先通过扩散的方式到达吸收区的边界，然后在耗尽区的电场下快速漂移通过耗尽区，被n电极收集。相比于PIN 结构，UTC 结构解决了空穴渡越缓慢的问题，同时研究人员不断在UTC结构基础上提出改进，即MUTC 结构（Modified Uni-traveling-carrier），在最初UTC 结构的基础上进一步优化提升探测器性能，很快成为利用InGaAs 材料实现高带宽探测器的首选结构。2007 年，英国伦敦大学学院A.J Seeds 课题组报道了3dB 带宽为110GHz 的倏逝波耦合型高速探测器[24]。器件为UTC 结构，采用120nm 的InGaAs作为光吸收层，300nm 的InP 作为耗尽层，在5V 的反偏电压下，尺寸为3×15μm2 的器件带宽为110GHz。UTC 结构中，光生载流子首先通过扩散到达吸收区边界，而采用梯度掺杂则可以使吸收区在反向电压下产生耗尽，此时产生的光生电子由之前的扩散运动变为电场下的漂移运动，减小了光生电子的输运时间。2017 年，美国弗吉尼亚大学Li 等研究人员报道了使用MOCVD 在InP 衬底上制备了带宽高于105GHz 的波导耦合高速探测器[25]，器件结构如图1 所示，吸收区采用了梯度掺杂的InGaAs 材料。器件以InGaAsP 代替InP 为耗尽区材料，虽然一定程度上降低了电子的饱和漂移速度，但改善了入射光从波导向吸收区的耦合，同时去除了InGaAsP n 型接触层，在p 型台面的每侧都形成了一个小缝隙，有效的增强了对光场的约束，有利于器件获得更高的响应度。表1 中总结了InP 基InGaAs 波导探测器的结构和性能。
除优化器件结构降低载流子输运时间之外，RC 常数对探测器带宽的限制也十分关键。为了追求超高速的性能，器件的耗尽区通常较薄，这也造成了器件的电容变大，因此设计合适的电极传输结构来补偿电容和优化频率响应也变得尤为重要。2023 年，上海科技大学Li等研究人员报道了使用高阻抗传输线引入电感的波导耦合MUTC 高速探测器[30]。高阻抗传输线将电感集成到探测器电路中，在80GHz 左右产生峰值效应，尺寸为2×10μm2 的器件带宽从100GHz 提高至125GHz。2024 年，该课题组又报道了带宽高达220GHz 的InP 基波导耦合高速探测器[31]。为了降低寄生电容，在探测器电极下引入了苯并环丁烯（BCB），有效的克服了与RC 时间常数相关的带宽瓶颈，尺寸为2×7μm2和2×10μm2的器件可以实现超过220GHz的3dB 带宽。
2.2 波导耦合Si 基InGaAs 探测器
近年来，Si 上异质集成III-V 族光电探测器受到了广泛关注，不仅可以结合Si 平台和InGaAs 材料的优势，而且可以实现Si 基片上III-V 族激光器和探测器的单片集成。目前，实现异质集成的方案主要为直接外延和晶圆键合。直接外延生长技术面临的最大挑战是III-V 族材料与Si 之间的多重失配。而晶圆键合的器件对键合过程十分敏感，并且键合技术的良率和稳定性都有待进一步提升。
直接生长技术是指在Si 衬底上直接外延生长III-V 族材料，可以实现非常高的集成度。然而，在Si 上直接生长III-V 族化合物并非易事，因为晶格常数、热膨胀系数和极性的差异会导致位错和反相畴等晶体缺陷。这些晶体缺陷会导致探测器的暗电流增加，削弱探测器的响应和高频特性。经过多年该领域科研人员的不懈努力，反相畴的问题得到了解决，位错密度也大大减小。在Si 衬底上直接外延III-V 族化合物半导体主要分为两种：薄膜异质外延和选择性异质外延。薄膜异质外延直接在Si 片上大规模沉积III-V 族化合物，而选择性异质外延则是在预图形化的Si 衬底上局部沉积III-V 族化合物。薄膜异质外延相对简单，各种结构的III-V 探测器都可以制备。但为了提高材料的晶体质量，通常需要较厚的缓冲层，这极大的限制了探测器吸收区和Si 波导之间的光耦合。而选择性异质外延生长的材料则避免了这个难题，更加适合波导耦合探测器的制备，但材料外延相对复杂。
2012 年，Feng 等研究人员报道了使用金属有机化学气相沉积在SOI (Silicon-On-Insulator)衬底上选择性外延生长的波导对接耦合型PIN InGaAs 光电探测器[32]。为了解决外延材料与衬底的晶格失配问题，首先在图形化衬底上生长了GaAs 和InP 缓冲层，然后在InP上生长InGaAs 的光吸收层。在4V 的反偏电压下，器件的3dB 带宽为9GHz，在1V 的反偏电压下，测试器件的暗电流为2.5μA，在波长1550nm 处响应度为0.17A/W。2014 年，该课题组进一步优化了材料生长方案，提高了材料的晶体质量，制备的波导光电探测器的带宽为14GHz[33]。
2021 年，Xue 等研究人员报道了3dB 带宽为40GHz 的对接耦合型III-V族波导探测器[34]，其器件工作波长跨度超过了400nm，暗电流为0.55nA。相比于PIN 结构，虽然UTC结构III-V族探测器解决了空穴渡越缓慢的问题，在高速性能上更加具备优势，但UTC 结构比PIN 结构更为复杂，在Si基上外延材料生长制备的难度也更大。2020 年，Sun 等研究人员在Si 衬底上制备了改进型单行载流子型（MUTC）III-V 族探测器[35]，结构如图2所示，使用分级掺杂的InGaAs 作为非耗尽吸收层。在3V 的反偏电压下，器件的响应度为0.78A/W，3dB 带宽为28GHz。目前光通信系统对探测器的带宽要求越来越高，而通过直接外延生长制备的III-V族波导光电探测器的带宽受到材料质量的严重制约，远达不到InP 基同类器件的性能，因此需要进一步提高材料质量才能突破性能的瓶颈。
晶圆键合的方法是将两个目标晶圆的表面进行抛光，对表面的平整度要求极高，然后在一定的压力和温度下将晶圆压在一起，二者的结合是基于范德华力。相比于直接外延生长的方法，键合的优势在于这是一种纯粹的物理方法，因此III-V 族材料的晶体质量不受影响，其器件性能理论上和直接在InP 衬底上生长制备的器件性能相当。2016 年，L.Shen 等研究人员报道了使用键合制备的高速波导耦合Si 基InGaAs 光电探测器[36]，器件的3dB 带宽测试结果超过了67GHz。虽然键合的InGaAs 探测器性能较好，但器件的稳定性和成品率都受到键合过程的极大影响，对键合工艺是极大的挑战。实际上，Si 基键合III-V 族光电器件一直是研究热点，但是主要集中在Si 基所缺乏的片上激光器上，键合探测器方面的研究并不多。这主要是由于Si 基Ge 光电探测器的快速发展，基本可以实现Si 基的片上光探测，使得Si 上键合InGaAs 探测器的应用场景受到了一定的限制。
3 Si 基IV 族光电探测器
Si 材料的带隙为1.1 eV，对应探测截止波长约为1100 nm，通常无法实现1310 nm 和1550 nm 光纤通信波段的光探测。研究人员通过引入新的Si 吸收机理或新的器件结构，也可以实现通信波段的光探测。尽管如此，在Si 中引入新的光吸收材料，如与Si 同族的Ge 材料，仍然是主流的方案。Ge 与Si同属于IV 族半导体材料，其直接带隙为0.8 eV，对应光电探测器的波长在1550 nm 附近。因此，在Si 上异质外延Ge 薄膜，以Ge 作为光吸收材料，可以实现Si 基近红外波段的光探测。随着高低温两步外延法在Si 衬底上可以直接异质外延生长高质量Ge 薄膜[7, 37]，Si 基Ge 探测器的发展进入快车道。然而，相比与InGaAs 材料，Ge 材料本身存在一些短板。首先，Ge 和Si 之间存在着4.2%的晶格失配，Si基Ge 探测器的暗电流普遍高于InP 基InGaAs 探测器2-3 个量级[38]，这使得Si 基Ge 探测器难以胜任小暗电流的应用场景；其次，Ge 材料的吸收带边在1550nm 附近，Ge 材料在C 波段乃至L 波段的光吸收系数都显著小于InGaAs。在面入射高速Si 基Ge 探测器中会表现得更为明显，即C 和L 波段的光响应度显著低于同类InGaAs探测器。尽管存在一些短板，Ge 作为光吸收材料有其独特的优点。例如，Ge 的饱和漂移速度（~6.5×106 cm/s[39]）虽然不及InGaAs，但其电子和空穴的饱和漂移速度差异不大，无需采用复杂的UTC 结构，即可实现高速的光电探测器。此外Ge 材料完全兼容Si 的CMOS 工艺，随着硅光技术的发展，波导耦合Ge/Si 探测器优秀的高速性能和成熟的工艺流程使其成为目前研究最为广泛的Si 基IV 族探测器。
3.1 波导耦合全Si 光电探测器
受带隙宽度的限制，Si 材料通常无法吸收波长超过1100nm 的光，但是研究人员已经发现了多种方法设计或者改变Si 的吸收，从而实现通信波段的光探测。目前，全Si 光电探测器的探测机理主要为亚带隙吸收、双光子吸收、表面态吸收以及光子隧穿辅助效应等[40-43]。早在2003 年，Knights 等研究人员就报道了杂质注入形成PIN 结构后，Si 波导中C 和L 波段的光电流显著增加的现象[44]。与其他类型的探测器相比，全Si 探测器不需要进行其它材料的外延生长，极大的简化了工艺流程。然而，相比于Ge/Si 探测器，由于全Si 探测器光通信波段吸收系数比较低，其有源区长度通常比较长。这会导致结电容变大，影响器件的高速性能。2018 年，Intel 公司报道了3dB带宽为15GHz 的波导耦合全Si 探测器[45]，见图3。有源区长度为300μm 的器件，在5.93V 的反偏电压下，响应度可以达到1.6A/W。通过等效电路拟合数据得到器件的串联电阻为5.8 欧姆，结电容为183fF。除此之外，微环结构也被引入全Si 探测器中，利用微环的谐振效应，共振增强吸收，有效减小了器件面积。2020 年，M.Sakib 等研究人员报道了带宽为35GHz 的微环型全Si 探测器[46]。器件由半径10μm 的环形谐振器组成，其PN 结占微环结构的71%，其余部分用于热调的控制，以实现器件的工作范围可以覆盖整个O 波段。器件在5.8V 的反偏电压下，响应度为0.23A/W，暗电流小于100nA，并且验证了器件支持112Gb/s 的PAM-4（4-Level Pulse Amplitude Modulation）信号传输。相比于Ge/Si 光电探测器，全Si 探测器存在器件响应度偏低、带宽偏低、工作电压偏高的问题，性能仍有待提升。全Si 探测器的优势在于不需要额外的材料外延，加工工艺简单，可靠性高，也使其成为硅光探测的方案之一。
3.2 波导耦合Ge/Si 光电探测器
Ge/Si 光电探测器主要为PIN 型结构，光通过Si 波导耦合进Ge 吸收区，光入射方向和光生载流子的输运方向垂直，有效缓解了响应度和带宽的制约关系。研究早期，Ge/Si PIN 光电探测器的波导耦合结构主要为butt 耦合型，吸收区的Ge 材料直接与Si 波导对接，来自波导的光直接入射到Ge 吸收层，从而实现光探测。Vivien 等研究人员在2009 年报道了3dB带宽为42GHz的butt 耦合型Ge/Si 光电探测器[47]，见图4。器件为纵向的PIN 结构，Ge 吸收区的长度为15μm，可以实现对波长为1550nm 光的吸收。在4V 的反偏电压下，测试器件
的3dB 带宽为42GHz，同时在1550nm 波长处的响应度为1A/W，1V的反偏电压下，器件的暗电流为1μA。为了进一步降低器件的结电容，提高器件带宽，在2017 年，该课题组报道了采用横向PIN 结构的 butt 耦合型Ge/Si 光电探测器[48]。Ge 吸收区长度为40μm 的器件在1V 的反偏电压下响应度为1.16A/W，在4V 的反偏电压下3dB 带宽为50GHz。然而butt 耦合型光电探测器的工艺流程复杂，需要先对Si 进行刻蚀或者腐蚀，然后进行Ge 吸收区的外延生长。外延生长Ge 的材料质量受到Si 表面状态的影响，同时Ge 区还需要进行化学机械抛光等工艺，这些复杂的工艺流程不仅会影响探测器的性能，还会不利于光电探测器的集成制备。此外，butt 耦合型光电探测器通常需要顶层Si 比较厚的SOI 衬底，而目前硅光最常用的SOI 衬底顶层Si 厚度为220nm，这使得butt 耦合结构与其他硅光器件之间的兼容性较差。
另一种波导耦合结构为倏逝波耦合型，Ge 吸收区位于Si 波导的正上方，在Si 波导中传输的光信号到达Ge 吸收区下方后，由于Ge 的折射率比Si大，光信号通过倏逝场耦合进Ge吸收区，从而实现对光的探测。常见的倏逝波耦合型结构主要分为纵向和横向PIN 结构。相比于横向器件，纵向器件PIN 结的平面与器件平面平行，制备工艺简单。早在2007 年，Intel公司报道了第一个倏逝波耦合型垂直PIN 结Ge/Si 光电探测器[49]，见图5，Ge 材料通过高低温两步法生长到Si波导上，输入光通过底部Si 波导耦合进Ge 吸收区中。在2V 的反偏电压下，Ge 吸收区长度为50μm、宽度为7.4μm 的测试器件的暗电流为169nA，在1550nm 处的响应度为0.89A/W，3dB 带宽为31.3GHz。更长的测试器件（4.4×100μm2）响应度提高到了1.16A/W，但3dB 带宽下降至29.4GHz。2022 年，本课题组也研制了高速波导型垂直PIN 结Ge/Si 光电探测器[50]。Ge 吸收区采用梯形结构，相比于传统的矩形结构，梯形结构使得光场分布更加均匀，有效缓解了空间电荷效应对器件饱和特性的影响，器件的带宽达到50GHz，并具有较好的饱和性能。纵向PIN 结构的器件由于Ge 吸收区的顶部需要离子注入形成重掺杂并且布置金属电极形成欧姆接触，同时为了保证光吸收则需要足够长的光吸收区，因此，器件的尺寸偏大，影响器件的高速性能。此外金属电极距离Ge 中光场较近，而金属对光有吸收作用，不可避免的降低了器件的响应度。因此，为了缓解纵向器件中响应度和带宽之间的制约，光吸收区采用环形或盘形结构，不仅减小了器件尺寸，同时利用光信号在结构中环形传播达到提高光吸收的作用。Chen 等研究人员在2022 年报道了使用约束光场的方案制备了带宽为67GHz 的纵向PIN Ge/Si 探测器[51]。在该方案中，使用了半径为3μm的Ge 圆台将从Si 波导中耦合进Ge 吸收区的光信号约束在Ge 圆台边缘，有效缓解了纵向器件响应度和带宽相互制约的关系。在2V 的反偏电压下，测试器件的暗电流为6.4nA。在波长1550nm 附近，器件响应度约为1.05A/W，3dB 带宽高达67GHz，并且验证了器件可以支持240Gb/s PAM-4 信号的传输。然而，环形或盘形的共振吸收结构，会受Ge 外延形貌的影响，通常对波长也有一定的选择性，需要更精细的器件设计。
相比于纵向器件，横向器件的Ge 吸收区较小，且金属远离光场，通常具有更高的带宽和响应度，但同时也需要引入更加复杂而精确的制备工艺。2016 年，H. Chen 等研究人员报道了3dB 带宽为67GHz 的横向PIN 结构Ge/Si 光电探测器[52]。在1V 的反偏电压下，器件的结电容为6.8fF，暗电流在4nA 以下。在波长1550nm处，器件的响应度并不理想，仅为0.74A/W，在波长1310nm处，响应度为0.93A/W。横向PIN 结构极大的降低了器件了结电容，因此可以支持高速的性能。2020 年，S. Lischke 等研究人员报道了3dB 带宽为110GHz 的横向Ge/Si光电探测器[53]，其器件结构为三明治型，Ge 吸收区为鳍型结构。在Ge 两侧分别沉积两种掺杂结构的Si，形成横向PIN 结构。为了进一步提升器件带宽，2021 年S. Lischke等通过减小鳍型结构的Ge 吸收区宽度，制备了3dB 带宽高达265GHz 的横向Ge/Si光电探测器[54]，也是到目前为止带宽最高的Ge/Si 光电探测器，见图6。鳍型的Ge 吸收区宽度仅为100nm，有效减小了载流子的渡越时间，提高了Ge 探测器的高速性能。但该器件对工艺精度要求较高，并且由于工艺本身的问题，Ge 的表面存在损伤，导致器件的暗电流较大，在2V 的反偏电压下，暗电流为100nA。同时光场在Ge 吸收区中的分布较弱，Ge 的长度也只有10μm，光信号无法被充分吸收，在波长1550nm处器件的响应度仅有0.3A/W。因此，如何缓解这种超高速Si 基Ge 探测器的响应度和带宽之间的制约，是一个重要的研究课题。其中提高Ge 的吸收系数，将会是一个相对简单易行的方式，比如在Ge 材料中施加应变或引入同族的锡材料形成GeSn 合金作用吸收区[55, 56]，这两种方案都不仅可以有效地提高材料在光通信波段的光吸收系数，提高响应度，且可以提高材料中的载流子饱和漂移速度，均有利于器件的带宽。
纵向和横向Ge/Si 光电探测器提高带宽的主要方法均为降低器件的RC 参数（串联电阻和电容）和减小载流子的渡越时间。表2 中总结了高速Ge/Si PIN 型探测器的性能。由于探测器是典型的容性器件，通过引入感性的元器件可以补偿其RC 参数，从而影响器件的带宽。2012 年，Gould 等研究人员提出电感增益峰值技术可以有效提高光电探测器的带宽[57]，通过在探测器电极制作过程中引入螺旋电感，利用电感补偿探测器的寄生参数对频率响应的影响，进而提高光电探测器的3dB 带宽。2013 年，Novack等研究人员首次通过实验验证了电感增益峰值技术可以提高纵向Ge/Si 光电探测器的带宽[58]。引入设计的螺旋电感的光电探测
器，与无电感时相比，器件的3dB 带宽从30GHz 提高至60GHz，带宽增加了一倍。2023 年，本课题组也报道了使用电感增益峰值技术制备了纵向高速Ge/Si 光电探测器[59]。通过引入适当的集成电感，可以在不影响暗电流和响应度的前提下，显著提高Ge/Si光电探测器的3dB带宽。引入集成电感值分别为242pH、280 pH、360 pH、415 pH、460 pH，见图7，对应的器件3dB 带宽为>75 GHz、75 GHz、66 GHz、60 GHz、58GHz。在一定的范围内，引入的集成电感越小，器件的3dB 带宽越高。电感增益峰值技术对横向器件同样可以提高带宽。2023 年，Hu 等报道了使用电感增益峰值技术制备的3dB 带宽为80GHz 的横向器件[60]，在不牺牲响应度和产生其他不良效果的前提下将带宽提高了95%，并且测试得到了420Gb/s 的PAM-8眼图。Si 基Ge 光电探测器的研究重点主要集中在提高探测器带宽的同时，尽量减小对器件其他性能参数的影响，均衡提升器件的性能。电感增益峰值技术在不改变器件直流特性的前提下，可以提升器件的高速性能，在模拟信号为主的光通信领域，有重要的应用前景。然而在数字光通信应用中，Si 基Ge 探测器通常需要与跨阻放大器（Trans-impedance Amplifier，TIA）直连，探测器上的集成电感可能会对探测器和跨阻放大器之间的阻抗匹配有所干扰，实用性方面将受到影响。
4 总结与展望
光电探测器作为光接收端的核心器件，经过多年的发展已经逐渐趋于成熟。本文介绍了两类波导耦合光电探测器的发展现状，包括III-V 族光电探测器和IV 族光电探测器，各自具有的优势和特点。InP 基InGaAs 探测器作为最成熟的解决方案，发挥了III-V 族材料高吸收系数和高电子迁移率的优势，以UTC 结构为基础实现了超高速光探测。尽管如此，III-V 族光电探测器在集成方面的仍然具有挑战。目前InP 基InGaAs 探测器可以实现与其它InP 基光电子器件的片上集成，但由于不同功能器件的有源区结构不同，需要采用多次外延。此外，波导折射率差比较小，弯曲半径大，集成度方面相对较低。Si 波导的折射率差较高，集成度方面具有优势，通过外延或键合的方式可以实现InP 基InGaAs 探测器与Si 的异质集成。然而，由于波导耦合Si 基Ge 光电探测器可以满足Si 基片上探测需求，因此InP 基InGaAs 探测器在Si 基集成方面的需求，并不如III-V 族激光器那么明确。IV 族探测器则以Ge/Si 探测器为主，与Si 的CMOS工艺兼容，在集成方面具有天然的优势。借助硅光平台先进的加工技术，可以满足更高的加工精度和集成度，实现更精细的器件结构，甚至制作出性能与InP 基的高速探测器可媲美的Si 基Ge超高速探测器。然而，Si 基Ge 探测器的暗电流、载流子饱和迁移率、通信波段的光吸收系数方面均不及InGaAs 探测器，需要在材料和结构方面进一步的创新。
光电探测器在各种应用环境中，尤其是极端条件下的稳定性，也是实际应用的关键因素之一。近年来备受关注的钙钛矿、有机及二维材料等新型探测器由于材料自身易受环境因素影响，其长期稳定性仍面临诸多挑战。同时新型材料集成工艺尚不成熟，大规模生产和性能一致性仍需要进一步探索。而文中所述的InGaAs 和Ge/Si 探测器均有商用的量产产品，其在长期的使用中展现出了很高的稳定性和可靠性。尽管如此，探测器性能的提升仍然面临着一系列的挑战。首先，高速探测器通常需要小尺寸有源区来降低器件电容，然而随着器件尺寸的缩小，寄生RC 参数对器件的带宽影响会越来越显著，甚至难以通过进一步降低器件尺寸来获得更高的带宽。目前通过引入电感的方式虽然可以有效地提高器件的带宽，但是在数字光通信系统中电感的引入并不受欢迎。因此，如何避免负面影响来进一步降低器件寄生RC参数，是高速探测器的研究方向之一。其次，随着波导耦合光电探测器的带宽越来越高，带宽和响应度之间的制约又开始显现。虽然已经报道了3dB 带宽超过200GHz 的Ge/Si探测器和InGaAs 探测器，但是它们的响应度均不理想。如何在提高带宽的同时，保持良好的响应度是一个重要的研究课题，可能需要引入工艺兼容的新材料（高迁移率和高吸收系数）或新颖的高速器件结构来解决。另外，随着器件带宽的增加，探测器在微波光子链路中的应用场景将逐渐增多。与光通信中的小光功率入射和高灵敏度探测不同，该场景在高带宽的基础上，有大功率入射的高饱和功率需求。然而高带宽器件通常采用小尺寸结构，因此制作高速且高饱和功率的光电探测器并不容易，可能需要在器件的载流子提取和散热方面进一步创新。最后，减小高速探测器的暗电流仍然是存在晶格失配的探测器需要解决的问题。暗电流主要和材料的晶体质量和表面状态相关，因此，晶格失配体系下的高质量异质外延或键合等关键工艺需要更多的研究和投入。
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