NaturePhotonics：高速高效率硅光電二極管！

　　高速、高效率的光電探測器在光通信技術中扮演者十分重要的角色，是構建大帶寬、高通量光鏈路的核心原件之一。從現有技術條件來看，無論為了節約制造和組裝分離元部件的成本，還是為了降低系統寄生阻抗帶來的損耗，實現光通信模塊與其他相關電子信號處理模塊的硅基單片集成（monolithic integration）都是高速寬頻光通信的理想解決方案。這無疑是對硅基光電探測器的性能和可集成度提出了更為苛刻的要求。眾所周知，作為間接帶隙半導體的硅在近紅外波段的本征吸收系數會顯著降低，然而這一波段是短距離多模數據通信的主要頻段。例如，使用普通平面p-i-n結構的硅基光電探測器，其本征吸收層（i-層）厚度需要達到13 μm才可以在850 nm的波長下實現超過50%的外量子效率（EQE）。但是如此巨大的器件厚度會顯著降低光電流的響應速度，進而將信號傳輸速率限制在4Gb s-1以內，無法勝任高速光通信的性能需求。

　　今天和大家分享的這篇來自美國加州大學戴維斯分校M. Saif Islam教授團隊的《Nature Photonics》正是對上述問題的突破性進展。該研究團隊通過在普通平面硅二極管結構中引入一系列尺寸在納米級或微米級的孔洞陣列，使其在近紅外波段（800 nm ~ 900 nm）獲得了高效（EQE > 50%）、高速（FWHM < 30 ps）的光電探測響應。這種使用集成電路制造工藝設計和制造的全硅基光電二極管有助于器件的超大規模集成（VLSI）并可以有效降低系統成本。而文章中所使用的FDTD全電磁場數值模擬為器件的參數化設計和性能分析提供了十分重要的理論依據。尤其是通過時域仿真清晰的揭示出了孔洞結構中電磁場能量的流向變化，為器件卓越的光吸收性能建立了非常直觀的物理圖像。下面我們一起來了解一下。

　　整個器件被制作在一個帶有3 μm厚SiO2的SOI（silicon-on-insulator）硅片上，基礎結構依然由n-i-p臺面結構構成。其中，0.25 μm厚的器件p層通過一層0.2 μm厚的Si0.988Ge0.01B0.002晶格適配層外延制造，中間的本征吸收層（i-層）厚度為2 μm，頂部的n型臺面約為0.2 μm厚。直徑介于600 nm到1700 nm，周期介于900nm到2000 nm的垂直孔洞陣列從上到下直貫整個吸收層到達底部的p層（圖1）。

　　圖 1具有集成微米和納米級孔洞陣列的硅光電二極管。a，具有薄吸收區域的超快光電二極管的示意圖。藍色：n-Si層；紅色：i-Si層；綠松石：p-Si層；透明：絕緣氮化物/氧化物層；黃色：歐姆接觸金屬；棕色：高速共面波導（CPW）；綠色：聚酰亞胺平坦化層。 b，SOI晶片上的n  -i  -p光電二極管結構，顯示了跨越n，i和p層的集成錐形孔。c，高速光電二極管（直徑30μm）的有源區的掃描電子顯微照片。d，e，方形（d）和六角形（e）晶格陣列。f，g，蝕刻到有源去的圓柱形（f）和漏斗形（g）孔的橫截面。

　　研究人員分別研究了方形與六角晶格兩種陣列模式，以及帶有垂直與傾斜（傾角為65度）側壁，也就是漏斗狀，的兩種孔洞構型。通過FDTD的時域全電磁場數值模擬，研究團隊揭示了孔洞陣列結構與垂直入射光場的相互作用過程。本質上來說，孔洞陣列結構對垂直入射光的增強效應類似于光子晶體中的慢速波模式，通過將垂直入射光轉換為面內傳播的慢速或共振光學模，孔洞陣列大大延長了吸收層的有效吸收光程。與此同時，吸收層內成的光生電流流動在較薄的厚度方向上，因此保持了器件較高的響應速度。仿真結果表明，使用周期超過900 nm的陣列可以有效的提升硅的整體吸收效果，同時還可以在一定程度上避免由普通薄層Fabry–Pérot模式帶來的吸收譜波動，后者往往會造成光電探測器響應頻譜的波動，因而不適用于大多數光通信應用場景。

　　圖2a顯示了由FDTD時域仿真計算獲得的方形晶格孔洞陣列在受到波長為850 nm的垂直入射光照射時在頭21 fs內激發出橫向傳播模式的過程。圖2b則顯示了帶有傾斜側壁的漏斗狀孔洞的激發情況，相比與垂直側壁結構，傾斜側壁孔洞顯示出更強的陷光作用，同時相比于垂直孔洞結構顯現出更平坦的頻率響應。這得益于其在水平方向和豎直方向對孔洞陣列的漸進調控，使得垂直入射光可以更好的耦合到面內模式。尤其是它對器件表層等效介電常數的漸進調控，使得頂層區域獲得了類似減反層（AR）的效果。圖3b中顯示了直徑為頂部直徑為1500 nm，晶格周期為2000 nm，側壁傾角為66度的漏斗狀孔洞陣列從上至下等效介電常數的變化。

　　圖2微米和納米級孔中在垂直激發時激發出橫向的慢速模式。 FDTD數值模擬顯示了孔周圍的橫向模式的形成。 a，b，圓柱形孔（a）和漏斗形孔（b）的正方形晶格中的電場Ex分量，隨著時間從左向右增加。頂行：x -y平面。底行：y-z平面。光照亮z方向的孔。從左到右的時間依次為：t=1.4, 6.2, 11, 16和21 fs。電場首先進入孔中然后作為圓柱波橫向擴散到Si中。

　　圖3a進一步顯示了由漏斗狀孔洞激發出的橫向模式向器件外圍未受光照部分的傳播情況，并顯示出慢速模式的形成及其逐漸被硅吸收的過程。之后，研究人員通過FDTD模擬計算了整個光電二極管模型對波長為800 nm~900 nm波段在孔洞直徑/晶格周期分別為1300/2000 nm，1500/2000 nm, 700/1000 nm，630/900 nm四中情況下的吸收情況。結果顯示，絕大部分的入射光可以很好的陷域在本征吸收層，吸收層的整體吸收率一般可以維持在80%以上。數值模擬在圖3c中進一步給出了不同的側壁傾角對吸收率的影響，其中還包括一組上小下大的倒漏斗形孔洞（側壁傾角為-75度），結果表明帶有正漏斗形的孔洞不但具有較高的吸收率，而且還其吸收能力還表現出更小的頻率依賴特性。

　　圖3孔洞結構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）的橫向場傳播結果。時間從上到下增加。b，漏斗形孔洞中的有效折射率與隨著深度的變化。c，漏斗形孔洞（直徑1,300 nm，周期2,000 nm）在側壁傾角分別為75°，66°和-75°（-75°，底部孔更寬）下的吸收率。還給出了具有周期為1,000 nm，直徑為700 nm，側壁傾角66°的漏斗形孔的單吸收曲線。

　　外量子效率是綜合刻畫器件光電轉換效率的一個重要指標，它表明了入射光子轉換為器件輸出電流的比例。在圖4中，研究人員對比了帶有孔洞陣列的硅光電二級管的仿真與實測外量子效率，兩組數據表現出了較高的一致性。實測外量子效率在800 nm最高，處約為62%，其吸收增強效果相當于在1 μm厚的體材料硅上將它的吸收系數增大了10倍。而在數據傳輸的中心波長850 nm處，器件外量子效率約為52%。由于制造過程中底部硼離子的過度擴散，導致實際器件中的本征層厚度由2 μm減小到了0.93 μm，以至于實測器件的量子效率低于數值模擬的結果（最高超過80%）。然而盡管如此，這一測試結果仍然遠優于普通的平面硅二極管結構，后者即使在擁有1.3μm厚的吸收層，內量子效率接近于1，的情況下也只能表現出約為6%左右的外量子效率。計算表明，孔洞結構所激發出的側向傳播模式將入射光的吸收光程增大了約13倍。如果能解決底層硼離子的擴散問題，使得器件內部形成更為陡峭的極性界面并保留更多的本征吸收層區域，器件的外量子效率還可以獲得進一步提升。

　　圖4通過集成孔實現增強的量子效率。a，帶有直徑/周期（d / p）為700 nm/1,000 nm孔洞的光電二極管（PD）的EQE與波長的關系（半填充紅色菱形）。上部曲線為器件模擬結果，下部曲線為不同厚度的平面硅光電二極管的EQE計算結果。插圖：摻雜劑從p層擴散到i層的示意圖，這導致了i層厚度的減小。b，具有錐形孔的2μm厚本征i-Si層EQE 模擬與器件實測的比較（波長為850 nm）。

　　在電氣性能方面，器件同樣表現出了較高的穩定型。測試表明，帶有直徑為30 μm的器件在-5V偏壓下的暗電流約為0.06nA，在施以適當的表面修復和鈍化工藝后，這一電流還可以進一步降低。而寄生電容由于底層硼離子的擴散較設計指標擴大了約3倍，約為110 fF。即便如此，器件依舊表現出超高的響應速率。圖5展示了器件在3V偏壓（25GHz T-型偏置器）下對850 nm飛秒激光的響應情況，其FWHM約為30 ps。考慮到來自示波器的采樣延遲以及入射激光的脈沖寬度，最終確定的響應時間約為23ps。由于上述硼離子的擴散問題，器件的響應脈沖帶有一略長的拖尾，這一問題也有望通過工藝改進而得到進一步的改善。根據研究人員的計算預測，通過這樣的結構優化有望在硅上實現帶寬30Gb s-1以上，效率在40%左右的器件性能。

　　圖5器件的直流與超快光電表征。a，在無光和有光情況下PD的電流-電壓特性。插圖：不帶孔的不同尺寸的PD的電容-電壓特性。b，橫向光傳播使每體積的功率保持在較低水平并且有助于保持光電流的高線性度。插圖：在-3 V偏置時，PD保持線性，最高輸出功率為20 mW。 c，通過用亞皮秒脈沖照射PD，由20-GHz示波器觀察到30 ps FWHM的響應脈沖。插圖：具有CPW的直徑為30μm的器件光學顯微照片。

　　最后總結一下，這篇來自加州大學的《Nature Photonics》介紹了一種帶有微孔陣列的，可集成于IC制造工藝的，硅基光電二極管。該器件的脈沖響應寬度約為23 ps，對應約為20Gb s-1的數據傳輸速率。其在820 nm到860 nm的波段內擁有超過50%的外量子效率，是當時同等硅基器件高量子效率的最早報道。在這篇文章中，我們看到了FDTD全電磁場數值模擬在處理時域仿真問題上的獨到優勢，為器件內部的光學模式轉換、光學能量流動與吸收控制以及器件參數調優提供了更為清晰和直觀的物理圖像。其模擬結果與實測結果較高的吻合程度也再一次驗證了這一數值方法的可靠性，使其成為研究光電器件物理的理論利器。

　　參考文獻：

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