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IHP实现世界上最快的Ge探测器(265GHz)

2021-12-10 光学小豆芽 阅读:
最新一期的NaturePhotonics里,德国的研究机构IHP报道了他们在锗探测器方向的最新进展。他们使用类似FinFET的三明治型Ge探测器,3dB带宽高达265GHz,创造了新的世界纪录。这篇笔

最新一期的Nature Photonics里,德国的研究机构IHP报道了他们在锗探测器方向的最新进展。他们使用类似FinFET的三明治型Ge探测器,3dB带宽高达265GHz, 创造了新的世界纪录。这篇笔记针对这篇最新进展,做一个详细的介绍。kGxednc

该三明治型的Ge探测器,其截面图如下图所示,kGxednc

(图片来自文献1)kGxednc

从图中可以看出,中间为沿着竖直方向狭长的Ge本征区,其高度为400nm, 宽度为100nm,长度为10um。Ge两侧为p掺杂与n掺杂的Si,形成横向的PIN型二极管kGxednc

器件的加工步骤如下图所示,kGxednc

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(图片来自文献1)kGxednc

首先在硅波导上方,一定的窗口内外延生长Ge台面。接着在Ge层上方沉积一层薄Si,然后再沉积SiO2。接着对左边区域的SiO2进行刻蚀,打开窗口(a图),并将下方的Ge也刻蚀掉,然后沉积掺杂的Si层(b图)。随后填充SiO2, 并进行CMP处理(c图)。类似的方法,处理右边的窗口(d图),最终形成左边为p掺杂的Si,右边为n掺杂的Si,中间为Ge的三明治结构。该工艺对套刻的精度要求较高。需要注意的是,这里的p和n型掺杂,并不是通过离子注入形成的,而是直接沉积已经掺杂好的Si。其主要目的是为了避免有离子进入Ge本征区,从而引入载流子的扩散,影响探测器的带宽。kGxednc

Ge探测器的带宽主要受两个因素影响,一是RC带宽,二是载流子的渡越时间,整体的带宽满足下式,kGxednc

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采用FinFET结构,正是通过减小本征区的宽度,大大减小了载流子的渡越时间,从而提高了带宽。虽然本征区宽度减小,会导致结电容的增大,但是对RC带宽的影响不大。文章中提取了PD的电学参数,如下表所示,可以看出带宽的主要影响因素是载流子的渡越时间。另外由于Ge的宽度较小,响应率不是特别高,只有0.3A/W。kGxednc

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对于探测器的带宽测试,并不是直接通过LCA测试(67GHz),而是通过外差检测的方式进行测量。通过两束频率接近的光束进行干涉,频率差可以反映到光强随时间的变化,进而被探测器检测出来。测试的光路图如下图所示,kGxednc

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(图片来自文献1)kGxednc

测试结果如下图所示,kGxednc

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(图片来自文献1)kGxednc

文章中还对比了III-V探测器与Ge探测器的性能。该文章的Ge探测器性能已经超越InP探测器。值得一提的是,文章作者去年刚刚实现110GHz的Ge探测器,现在又打破了自己刚刚创造的记录。kGxednc

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简单总结一下,作者借鉴了FinFET的概念,将Ge探测器加工成鳍型结构,减小了本征区Ge的宽度,降低了载流子的渡越时间,从而大大提高了Ge探测器的性能。原理比较好理解,难点是工艺的优化,这需要长时间的摸索与积累。十年磨一剑!此外文章作者通过多年努力,将一个器件的性能达到极致,令人钦佩。kGxednc
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参考文献:kGxednc

  1. S. Lischke, et.al, "Ultra-fast germanium photodiode with 3-dB banwidth of 265 GHz", Nature Photonics 15,925(2021)kGxednc

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