【摘 要】
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硅基光子技术通过光互连方式实现光子器件与光电器件的大规模集成,在数据中心、光通信等高容量应用场景中得到广泛关注。高性能的近红外探测器作为重要的硅基光子器件,在系统
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硅基光子技术通过光互连方式实现光子器件与光电器件的大规模集成,在数据中心、光通信等高容量应用场景中得到广泛关注。高性能的近红外探测器作为重要的硅基光子器件,在系统中负责光电信号的转换。由于Ⅲ-Ⅴ族材料在成本及与硅材料间的异质集成上不具优势,而锗材料的外延工艺不断发展并能与CMOS工艺相兼容,锗/硅器件更适合通过硅光子平台制备发挥低成本优势。雪崩光电探测器(APD)工作时具有内部增益,体积小且灵敏度和响应度高,随着100G光通信的发展,近红外APD不断受到人们的关注。为克服传统正入射结构APD的带宽与光响应度的设计矛盾,波导集成结构因此出现且更利于实现片上集成,目前波导集成型锗/硅雪崩探测器已成为研究的主流之一。本文对波导集成型锗/硅APD展开研究,以雪崩光电探测器的工作机理为基础,经过仿真发现经典的吸收层-电荷层-倍增层分离(SACM)结构的锗/硅APD中电荷层的杂质浓度对器件电场分布的影响很大,在制备中精确控制电荷层的杂质分布将成为工艺难点,而水平APD器件结构及工艺简单,在设计上避免了电荷层的上述问题,本文主要工作围绕其展开:1.通过TCAD工具探究锗/硅水平APD工作原理并通过改变杂质掺杂优化其电场分布提升光响应特性,同时定性分析锗区及间隔区结构参数对器件电场分布及性能的影响,对其结构参数设计有一定的指导意义。2.基于中科院微电子所的8英寸硅光平台设计了工艺流程,成功制备了不同间隔区宽度的波导集成型锗/硅水平APD,主要工艺流程包括:单模波导及锥形波导的刻蚀制备,浅刻蚀形成聚焦耦合光栅,衬底上的离子注入,采用RPCVD设备结合选择性外延和低温缓冲层技术生长高质量的锗薄膜,最后通过接触孔和金属化工艺引出电极。3.器件测试的结果表明单模波导的衰减系数为2.58dB/cm,光栅的插入损耗为3.08dB/端,其中心波长为1552.1nm。间隔区宽度每减小0.1μm,APD的雪崩击穿电压的绝对值随之下降5V左右,间隔区宽度为0.3μm的器件雪崩击穿电压仅为-6.5V,且可在0.9倍击穿电压下测得20.06GHz的高带宽;间隔区宽度为0.8μm的器件雪崩击穿电压为-28V,在有效入射光功率为-37.6dBm的条件下,探测器可在-27.5V的反偏电压下测得75.89A/W的高响应度。
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