【资讯】浙江大学张弓、戴道锌团队：硅锗光电探测器——高灵敏度、高带宽和高饱和功率的协同突破

以数据中心光互连为例，接收端光电探测器需要将高速、低功率的光信号准确转换为电信号。探测器的灵敏度不足会限制微弱信号的识别能力，带宽不足可能导致高速信号失真，而饱和功率受限会削弱器件在强光入射下的线性响应能力。类似的性能需求也广泛存在于微波光子、激光雷达、量子信息和光谱传感等领域。由于不同应用对灵敏度、带宽、线性度和功耗等指标的要求不同，光电探测器通常需要针对具体应用进行性能权衡与结构优化。因此，如何在片上集成平台中实现面向不同应用需求的高性能探测，成为光电探测领域的重要研究问题。

硅基光子芯片为解决这一问题提供了重要技术平台。硅材料具有成熟的工艺基础、较低的制造成本和较高的集成密度，但在光通信常用的1310 nm和1550 nm波段吸收效率较低；而锗在近红外波段具有较高的吸收系数。因此，通过在硅波导上外延生长锗吸收层，将硅材料优良的导光特性与锗材料高效的近红外吸收能力相结合，形成了兼顾器件性能、集成度和制造可行性的波导型光电二极管（PD）技术路线。由此，研究重点进一步转向如何通过器件结构、材料工艺与电路设计的协同优化，针对不同应用场景突破灵敏度、带宽和饱和功率等关键性能指标之间的制约关系。

围绕上述问题，该综述将研究进展归纳为三个性能维度。

第一，提升灵敏度。提高响应度的基本思路是让更多光被吸收、让更多光生载流子被收集，同时尽可能压低暗电流和噪声。研究者通过对接耦合、倏逝耦合和模式演化耦合等方式优化光输入，并通过延长吸收路径、引入布拉格反射镜、谐振腔和慢光效应等手段增强光场与锗的相互作用；部分结构在保持数十GHz带宽的同时，实现了超过1 A/W的响应度和nA量级暗电流。横向Si/Ge/Si异质结、应变锗，以及低温生长、循环退火和界面钝化等手段，则进一步改善了载流子收集效率并降低了器件噪声。

图1 高灵敏度PD结构示意图[图片分别来自Optics Express, 2009, 17(8): 6252、Journal of Lightwave Technology, 2015, 33(4): 820-824、Optics Letters, 2017, 42(24): 5141-5144、Photonics Research, 2024, 12(12): 2983]。（a）对接耦合探测器；（b）横向异质结探测器；（c）加入布拉格反射结构的探测器；（d）加入硅角反射器的探测器

雪崩效应为灵敏度提升提供了另一条路径。雪崩光电二极管（APD）利用碰撞电离产生内部增益，其中吸收区-电荷区-倍增区分离（SACM）结构充分利用锗和硅各自的材料优势，将锗吸收区与硅倍增区分开，兼顾吸收效率、噪声和带宽。近年来，已有器件实现超过5000 GHz的增益带宽积，并在50 G无源光网络（PON）接收中展示了优于-30 dBm的接收灵敏度。当APD工作在高于击穿电压的盖革模式时，还可以实现单光子探测。通过对电场和噪声的极致控制，硅锗APD正在向室温高性能工作不断推进。

图2 APD结构示意图[图片分别来自：Nature Communications, 2014, 5(1): 4957、Optica, 2022, 9(7): 762]。（a）横向PIN结构APD的电镜照片；（b）带有浅槽脊波导的SACM结构APD示意图

第二，增大带宽。光电探测器的高速响应主要受到载流子渡越时间和电阻电容（RC）寄生参数的共同限制。通过减薄吸收层、缩短载流子输运距离、采用横向结和鳍形锗结构，可以有效减少渡越时间；通过减小器件尺寸、降低结电容和接触电阻，则有助于提升RC带宽。代表性工作中，鳍形锗结构实现了265 GHz带宽，使用超薄锗层也实现了100 GHz级带宽。在此基础上，片上或片外电感增益峰化可通过引入频率响应峰值补偿高频滚降，将带宽进一步推向100 GHz以上。此外，单行载流子结构和频域均衡技术也为高速探测提供了新的优化维度。

图3 高速PD、APD结构图[图片分别来自：Nature Photonics, 2021, 15(12): 925-931、Optics Express, 2013, 21(23): 28387、Nature Communications, 2025, 16(1): 11058、ACS Photonics, 2025, 12(12): 6698-6704]。（a）带有鳍形锗的超快PD电镜照片；（b）集成片上电感增益峰化结构的PD；（c）分离吸收-悬崖-电荷-倍增（SAC2M）结构超快APD；（d）集成片上电感的对接耦合PIN探测器

第三，提高饱和功率。在高光功率输入条件下，大量光生载流子会引起空间电荷效应，对耗尽区电场产生屏蔽作用，进而导致载流子输运速度下降、响应度降低以及非线性失真。侧耦合、多端口输入和亚波长光栅等结构能够使得吸收区光场更均匀，代表性器件的饱和电流已超过19 mA。行波电极阵列探测器则把多个探测单元沿传输线分布式并联，并通过阻抗和速度匹配，在提高总输出功率的同时维持较高的射频带宽，已有设计实现了接近500 mA的饱和电流和6.3 dBm的射频输出功率。单行载流子结构则利用电子迁移率高于空穴的特点，使电子承担主要输运任务，在高功率下兼顾线性度和带宽。

图4 高功率PD结构图[图片分别来自：ACS Photonics, 2024, 11(4): 1761-1770、Optics Express, 2018, 26(26): 34763、Journal of Lightwave Technology, 2014, 32(20): 3502-3508]。（a）具有侧耦合结构的横向锗/硅波导探测器；（b）带有星形耦合器的行波电极探测器阵列；（c）单行载流子结构探测器

未来，硅锗光电探测器的竞争重点将逐步从单项纪录转向可大规模制造和可长期稳定工作的系统级性能。随着300 mm硅光子工艺、晶圆级自动测试和三维集成技术成熟，探测器有望与调制器、复用器、跨阻放大器及其他电子电路协同设计，降低互连寄生和系统功耗。

面向数据中心，预计需要在较高响应度下稳定突破100~150 GHz带宽；面向微波光子与相干通信，需要兼顾平坦频响、30 mA以上饱和电流和高线性度；面向量子信息，则需继续提高室温探测效率并降低暗计数。

此外，锗锡等新型材料有望进一步拓展探测波段，人工智能辅助设计和晶圆级自动测试也将加快器件设计与工艺迭代，推动硅锗光电探测器从高性能单器件进一步走向大规模光电子集成系统。

参考文献： 中国光学期刊网

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