IMEC：106GHz带宽, 6nA暗电流，0.93A/W响应度GeSi波导光电探测器

(原文标题：Beyond 100 GHz, High Responsivity,  Waveguide-Coupled Deeply Recessed  Germanium on Silicon Photodiode )

一、研究背景与目标

1. 技术背景

      硅光子学技术在光通信、高性能计算、量子信号处理等领域应用广泛，锗（Ge）因在近红外光谱的优异光吸收特性及与硅基制造工艺的兼容性，成为硅光子系统中高性能光电探测器（PD）的核心材料。

      随着数据速率需求提升，需光电（OE）带宽超100GHz以支持200Gbaud甚至400Gbaud的符号速率。

锗PD的带宽受两大因素限制：锗本征层载流子渡越时间、RC寄生效应。现有技术（如电感peaking、电极设计优化）在提升带宽时，存在降低响应度或增加制造复杂度的问题。

2. 研究目标

      本工作通过简单集成工艺，无电感peaking下制备出带宽超100GHz且高响应度的硅基锗光电二极管（Ge/Si PD），解决现有技术中“带宽提升与响应度/制造复杂度”的矛盾。

二、器件结构与制造

1. 核心结构

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      该器件在硅衬底的深凹槽中直接生长窄Ge吸收区，采用简单集成工艺制成。透射电子显微镜图像显示，其Ge吸收区结构紧凑，平均宽度约200nm，底部窄至150nm，硅表面处宽达269nm，厚度为193nm，且大部分凹入硅衬底中。

      这种窄Ge宽度与深凹槽设计，能减少渡越时间带宽，在给定电压下使Ge内部产生更高电场，促使吸收的载流子以饱和速度移动。

2. 制造工艺

      基于imec的300mm硅光子学平台，采用220nm绝缘体上硅（SOI）晶圆（底层为2μm埋氧层）；在SOI层注入N/P掺杂并退火后，在硅片内形成窄而深的凹槽，选择性生长锗吸收区。

三、器件性能测试结果

      研究测试了三种不同锗宽度的器件（200nm、300nm、400nm，分别命名为Ge_width_200/300/400），关键性能参数如下：

1. 暗电流

- 测试条件：反向偏压下无光照，波长1310nm，通过TE优化光栅耦合器耦合光信号。

- 结果：-2V偏压下，暗电流分别为20nA（200nm）、6nA（300nm）、4nA（400nm），均处于低水平；

- 晶圆一致性：对晶圆上10个管芯的测试显示，暗电流波动小（箱线图验证），证明制造工艺的均匀性。

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2. 响应度

- 计算方式：光电流/到达器件的光功率（光功率经光栅耦合器损耗校准后为0.35dBm）。

- 结果：-2V偏压下，响应度分别为0.88A/W（200nm）、0.93A/W（300nm）、0.98A/W（400nm）；

- 偏压影响：响应度随反向偏压增加而提升（0V时0.55A/W→-2V时0.88A/W），表明-0.5V以下电场不足，载流子易复合。

3. 带宽

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- 测试方法：采用Keysight 110GHz网络分析仪和Thorlabs 110GHz调制器，测量归一化S₂₁曲线并拟合带宽。

- 结果：-2V偏压下，200nm和300nm器件带宽均为106GHz，400nm器件降至85GHz；

- 晶圆一致性：6个管芯测试显示，300nm和400nm器件带宽波动小，200nm器件在-1V/-2V时存在少量异常值（可能受RC寄生效应限制）。

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四、基准测试与结论

1. 与现有技术对比（表1）

      与目前报道的高带宽Ge/Si光电探测器相比，该器件在3-dB带宽方面性能相当，且无需借助电感peaking技术，同时暗电流低、 响应度高，可应用于200GBd及以上的场景。

2. 核心结论

- 本研究的Ge/Si PD在-2V偏压下实现106GHz带宽，同时具备高响应度（0.93A/W）和低暗电流（<10nA），且制造工艺简单、晶圆一致性好。

- 性能无妥协（带宽超100GHz的同时保持高响应度和低暗电流），可支持200GBd及以上速率的应用。