IHP实现世界上最快的Ge探测器(265GHz)

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。

该三明治型的Ge探测器，其截面图如下图所示，

（图片来自文献1）

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。

器件的加工步骤如下图所示，

（图片来自文献1）

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。

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，

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。

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，

（图片来自文献1）

测试结果如下图所示，

（图片来自文献1）

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。

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。

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参考文献：

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