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Nature Photonics:高速高效率硅光电二极管!

2018.12.19

  高速、高效率的光电探测器在光通信技术中扮演者十分重要的角色,是构建大带宽、高通量光链路的核心原件之一。从现有技术条件来看,无论为了节约制造和组装分离元部件的成本,还是为了降低系统寄生阻抗带来的损耗,实现光通信模块与其他相关电子信号处理模块的硅基单片集成(monolithic integration)都是高速宽频光通信的理想解决方案。这无疑是对硅基光电探测器的性能和可集成度提出了更为苛刻的要求。众所周知,作为间接带隙半导体的硅在近红外波段的本征吸收系数会显著降低,然而这一波段是短距离多模数据通信的主要频段。例如,使用普通平面p-i-n结构的硅基光电探测器,其本征吸收层(i-层)厚度需要达到13 μm才可以在850 nm的波长下实现超过50%的外量子效率(EQE)。但是如此巨大的器件厚度会显著降低光电流的响应速度,进而将信号传输速率限制在4Gb s-1以内,无法胜任高速光通信的性能需求。

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  今天和大家分享的这篇来自美国加州大学戴维斯分校M. Saif Islam教授团队的《Nature Photonics》正是对上述问题的突破性进展。该研究团队通过在普通平面硅二极管结构中引入一系列尺寸在纳米级或微米级的孔洞阵列,使其在近红外波段(800 nm ~ 900 nm)获得了高效(EQE > 50%)、高速(FWHM < 30 ps)的光电探测响应。这种使用集成电路制造工艺设计和制造的全硅基光电二极管有助于器件的超大规模集成(VLSI)并可以有效降低系统成本。而文章中所使用的FDTD全电磁场数值模拟为器件的参数化设计和性能分析提供了十分重要的理论依据。尤其是通过时域仿真清晰的揭示出了孔洞结构中电磁场能量的流向变化,为器件卓越的光吸收性能建立了非常直观的物理图像。下面我们一起来了解一下。

  整个器件被制作在一个带有3 μm厚SiO2的SOI(silicon-on-insulator)硅片上,基础结构依然由n-i-p台面结构构成。其中,0.25 μm厚的器件p层通过一层0.2 μm厚的Si0.988Ge0.01B0.002晶格适配层外延制造,中间的本征吸收层(i-层)厚度为2 μm,顶部的n型台面约为0.2 μm厚。直径介于600 nm到1700 nm,周期介于900nm到2000 nm的垂直孔洞阵列从上到下直贯整个吸收层到达底部的p层(图1)。

  图 1具有集成微米和纳米级孔洞阵列的硅光电二极管。a,具有薄吸收区域的超快光电二极管的示意图。蓝色:n-Si层;红色:i-Si层;绿松石:p-Si层;透明:绝缘氮化物/氧化物层;黄色:欧姆接触金属;棕色:高速共面波导(CPW);绿色:聚酰亚胺平坦化层。 b,SOI晶片上的n  -i  -p光电二极管结构,显示了跨越n,i和p层的集成锥形孔。c,高速光电二极管(直径30μm)的有源区的扫描电子显微照片。d,e,方形(d)和六角形(e)晶格阵列。f,g,蚀刻到有源去的圆柱形(f)和漏斗形(g)孔的横截面。

  研究人员分别研究了方形与六角晶格两种阵列模式,以及带有垂直与倾斜(倾角为65度)侧壁,也就是漏斗状,的两种孔洞构型。通过FDTD的时域全电磁场数值模拟,研究团队揭示了孔洞阵列结构与垂直入射光场的相互作用过程。本质上来说,孔洞阵列结构对垂直入射光的增强效应类似于光子晶体中的慢速波模式,通过将垂直入射光转换为面内传播的慢速或共振光学模,孔洞阵列大大延长了吸收层的有效吸收光程。与此同时,吸收层内成的光生电流流动在较薄的厚度方向上,因此保持了器件较高的响应速度。仿真结果表明,使用周期超过900 nm的阵列可以有效的提升硅的整体吸收效果,同时还可以在一定程度上避免由普通薄层Fabry–Pérot模式带来的吸收谱波动,后者往往会造成光电探测器响应频谱的波动,因而不适用于大多数光通信应用场景。

  图2a显示了由FDTD时域仿真计算获得的方形晶格孔洞阵列在受到波长为850 nm的垂直入射光照射时在头21 fs内激发出横向传播模式的过程。图2b则显示了带有倾斜侧壁的漏斗状孔洞的激发情况,相比与垂直侧壁结构,倾斜侧壁孔洞显示出更强的陷光作用,同时相比于垂直孔洞结构显现出更平坦的频率响应。这得益于其在水平方向和竖直方向对孔洞阵列的渐进调控,使得垂直入射光可以更好的耦合到面内模式。尤其是它对器件表层等效介电常数的渐进调控,使得顶层区域获得了类似减反层(AR)的效果。图3b中显示了直径为顶部直径为1500 nm,晶格周期为2000 nm,侧壁倾角为66度的漏斗状孔洞阵列从上至下等效介电常数的变化。

  图2微米和纳米级孔中在垂直激发时激发出横向的慢速模式。 FDTD数值模拟显示了孔周围的横向模式的形成。 a,b,圆柱形孔(a)和漏斗形孔(b)的正方形晶格中的电场Ex分量,随着时间从左向右增加。顶行:x -y平面。底行:y-z平面。光照亮z方向的孔。从左到右的时间依次为:t=1.4, 6.2, 11, 16和21 fs。电场首先进入孔中然后作为圆柱波横向扩散到Si中。

  图3a进一步显示了由漏斗状孔洞激发出的横向模式向器件外围未受光照部分的传播情况,并显示出慢速模式的形成及其逐渐被硅吸收的过程。之后,研究人员通过FDTD模拟计算了整个光电二极管模型对波长为800 nm~900 nm波段在孔洞直径/晶格周期分别为1300/2000 nm,1500/2000 nm, 700/1000 nm,630/900 nm四中情况下的吸收情况。结果显示,绝大部分的入射光可以很好的陷域在本征吸收层,吸收层的整体吸收率一般可以维持在80%以上。数值模拟在图3c中进一步给出了不同的侧壁倾角对吸收率的影响,其中还包括一组上小下大的倒漏斗形孔洞(侧壁倾角为-75度),结果表明带有正漏斗形的孔洞不但具有较高的吸收率,而且还其吸收能力还表现出更小的频率依赖特性。

  图3孔洞结构中的慢速模式有助于吸收率的提高。a,y-z平面(左列)和x-y平面(右列)的横向场传播结果。时间从上到下增加。b,漏斗形孔洞中的有效折射率与随着深度的变化。c,漏斗形孔洞(直径1,300 nm,周期2,000 nm)在侧壁倾角分别为75°,66°和-75°(-75°,底部孔更宽)下的吸收率。还给出了具有周期为1,000 nm,直径为700 nm,侧壁倾角66°的漏斗形孔的单吸收曲线。

  外量子效率是综合刻画器件光电转换效率的一个重要指标,它表明了入射光子转换为器件输出电流的比例。在图4中,研究人员对比了带有孔洞阵列的硅光电二级管的仿真与实测外量子效率,两组数据表现出了较高的一致性。实测外量子效率在800 nm最高,处约为62%,其吸收增强效果相当于在1 μm厚的体材料硅上将它的吸收系数增大了10倍。而在数据传输的中心波长850 nm处,器件外量子效率约为52%。由于制造过程中底部硼离子的过度扩散,导致实际器件中的本征层厚度由2 μm减小到了0.93 μm,以至于实测器件的量子效率低于数值模拟的结果(最高超过80%)。然而尽管如此,这一测试结果仍然远优于普通的平面硅二极管结构,后者即使在拥有1.3μm厚的吸收层,内量子效率接近于1,的情况下也只能表现出约为6%左右的外量子效率。计算表明,孔洞结构所激发出的侧向传播模式将入射光的吸收光程增大了约13倍。如果能解决底层硼离子的扩散问题,使得器件内部形成更为陡峭的极性界面并保留更多的本征吸收层区域,器件的外量子效率还可以获得进一步提升。

  图4通过集成孔实现增强的量子效率。a,带有直径/周期(d / p)为700 nm/1,000 nm孔洞的光电二极管(PD)的EQE与波长的关系(半填充红色菱形)。上部曲线为器件模拟结果,下部曲线为不同厚度的平面硅光电二极管的EQE计算结果。插图:掺杂剂从p层扩散到i层的示意图,这导致了i层厚度的减小。b,具有锥形孔的2μm厚本征i-Si层EQE 模拟与器件实测的比较(波长为850 nm)。

  在电气性能方面,器件同样表现出了较高的稳定型。测试表明,带有直径为30 μm的器件在-5V偏压下的暗电流约为0.06nA,在施以适当的表面修复和钝化工艺后,这一电流还可以进一步降低。而寄生电容由于底层硼离子的扩散较设计指标扩大了约3倍,约为110 fF。即便如此,器件依旧表现出超高的响应速率。图5展示了器件在3V偏压(25GHz T-型偏置器)下对850 nm飞秒激光的响应情况,其FWHM约为30 ps。考虑到来自示波器的采样延迟以及入射激光的脉冲宽度,最终确定的响应时间约为23ps。由于上述硼离子的扩散问题,器件的响应脉冲带有一略长的拖尾,这一问题也有望通过工艺改进而得到进一步的改善。根据研究人员的计算预测,通过这样的结构优化有望在硅上实现带宽30Gb s-1以上,效率在40%左右的器件性能。

  图5器件的直流与超快光电表征。a,在无光和有光情况下PD的电流-电压特性。插图:不带孔的不同尺寸的PD的电容-电压特性。b,横向光传播使每体积的功率保持在较低水平并且有助于保持光电流的高线性度。插图:在-3 V偏置时,PD保持线性,最高输出功率为20 mW。 c,通过用亚皮秒脉冲照射PD,由20-GHz示波器观察到30 ps FWHM的响应脉冲。插图:具有CPW的直径为30μm的器件光学显微照片。

  最后总结一下,这篇来自加州大学的《Nature Photonics》介绍了一种带有微孔阵列的,可集成于IC制造工艺的,硅基光电二极管。该器件的脉冲响应宽度约为23 ps,对应约为20Gb s-1的数据传输速率。其在820 nm到860 nm的波段内拥有超过50%的外量子效率,是当时同等硅基器件高量子效率的最早报道。在这篇文章中,我们看到了FDTD全电磁场数值模拟在处理时域仿真问题上的独到优势,为器件内部的光学模式转换、光学能量流动与吸收控制以及器件参数调优提供了更为清晰和直观的物理图像。其模拟结果与实测结果较高的吻合程度也再一次验证了这一数值方法的可靠性,使其成为研究光电器件物理的理论利器。

  参考文献:

  https://www.nature.com/articles/nphoton.2017.37


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