本文是一篇电气工程论文，本文以硅基锗横向PIN红外光电探测器为基础，通过CUMEC标准工艺线流片，重点研究了该器件的光学及电学特性，实现具有高响应度及高量子效率的红外光电探测器，在此研究基础上，提出一种基于栅压调控的新型光电探测器工作模式。
第一章 绪论
1.1 引言
人工智能（AI）、物联网（IoT）、云计算、存储以及视频流等领域的新兴应用带来了对数据通信的巨大需求，同时推动了5G通信、超规模数据中心和超大规模高性能计算机（HPC）[1]的发展。但随着数据中心和远程通信的数据流呈指数型增速，目前基于传统工艺平台制造的电子电路系统难以满足需求。以射频（Radio Frequency，RF）微波信号作为信息载体的通信系统受到RC延时效应的影响，其信号的传输速度难以突破纳（ns）的限制，大幅度限制了数据通讯往更快速度的发展。另一方面，工艺制程对器件尺寸大小有较大的限制，而器件性能发展在尺寸极限到来后难以获得进一步提升，在工艺不匹配的情况下一直缩减尺寸则会带来如布线串扰、套刻误差等不期望的结果。当元件的特征尺寸进入纳米（nm）尺度，由于摩尔定律的存在，微电子的发展逐渐向量子极限靠近，在现阶段的制作工艺中，也具有很多困难。
与传统的铜互连相比，光互连具有高带宽和长传输距离的特性，可以很好地缓解大量数据流量的拥挤效应，如图1.1所示，在信息传播的终端，传播信号的载体主要是光信号，通过将光信号转换为电信号，实现信息的处理及存储目标，应用领域包括无人驾驶、安防系统、生物识别以及远距离通信等。光互连的系统可以通过不同的光学技术以光速进行，如波分复用（WDM）[2]和模分复用（MDM）[3]等，以满足低延迟和大带宽的要求，可以实现更高的集成度，获得更高的带宽密度和更低的制造成本。
1.2 硅基光子学的研究现状和意义
随着人类进入以互联网和多媒体标志的信息社会，后摩尔时代的尺寸减小，传统的使用金属线实现电互连的芯片要实现性能的进一步提高，将面临传输延迟、功耗、信号串扰等挑战。作为数据传输的重要一环，数据中心对能耗的要求将不断上升并成为主要部分之一，因此，以光互连形式实现的光子集成电路开始不断发展并表现出极大潜力，硅基光子学这一新兴前沿学科得到不断完善与突破[10]。硅基光子学以研制出具备特定功能的大规模光学信号处理系统为目标，通过在同一个芯片上制备出多个以电子和光子为信息载体的功能性器件，形成一个具有完整信息处理能力的光电互连集成芯片。光电探测器是一种重要的光电器件，它可以将光信号转换为电信号，广泛应用于各种光互连系统中。
硅基光子学的演化路径[11]如图1.3所示，硅基光子学中光集成芯片（Photonic Integrated Circuits，PICs）于1985年[12]第一次被提出，随后在1991至1992年[13]，基于薄绝缘体上硅（Silicon-on-Insulator，SOI）的低损耗波导概念被提出[14]。在这个阶段，不同的光学器件得到了大量的研究，硅基光子学进入了一个小规模集成（Small-scale Integration，SSI）的阶段，在每一个独立的PICs上大约有1-10个器件，这其中包含了大量的高速PN结调制器[15]、光电探测器[16]以及Ⅲ-Ⅴ族异质结集成的激光器[17]等。接下来成功引领硅基光子学商业模式的方向是10~500个器件集成的PICs，这个中等规模集成（Medium-scale Integration，MSI）的时期证实了包括单波长和多波长的马赫-曾德尔调制器（Mach-Zehnder Modulator，MZM）在强度调制器[18]中的收发作用。
第二章 光电探测器的工作原理及性能参数
2.1 光电探测器的工作原理
2.1.1 PIN光电探测器
PN结光电二极管是最基本的，同时也是最广泛使用的光电探测器。在一个反向偏置的PN结中，能量大于带隙的光子入射到器件的表面，在结两侧形成电子-空穴对。在耗尽区，电子-空穴对在电场的作用下分离，少数载流子被加速，到达另一侧后变成多数载流子，形成光电流。PN结光电二极管的工作原理如图2.1所示，分别为PN结光电探测器的结构图、能带图以及电场分布图。
对光电二极管来说，耗尽区的设计对于优化其性能具有重要意义。由于载流子的渡越时间较长，一个扩展的耗尽区域适合于吸收光，但不利于工作速度的提升。PIN光电探测器是替代PN结光电二极管的常用方案，尤其是在超快速光电探测技术的光通信系统中。在PIN光电探测器中，一个不掺杂的I区（可能为p-或n-，取决于结的形成方法）夹在P区和N区中间。图2.2示意性的给出了PN结型和PIN型光电二极管的基本结构、电场分布及反偏电压下的能带图。由于I区中掺杂浓度相对较低，且I区的电阻率相对较高，因此PIN两端施加的反向偏置电压几乎都落在I区，从而可以获得非常低的反向偏置工作电压甚至是零偏压。一般来说，对于本征区掺杂浓度在1014~1015 cm−3的，5~10 V的偏压便可以将几微米的本征区耗尽，电子速度也能够达到饱和值。
2.2 光电探测器的关键性参数
2.2.1 暗电流
暗电流是指在黑暗环境下对光电探测器施加一定反向偏压后，光电探测器输出的电流值，与温度和双极性有关。由于较大的暗电流会给光电探测器带来较为严重的噪声和静态功耗问题，所以从实际应用的角度来看，光电探测器的暗电流应该尽可能小。从直流的角度出发，暗电流一定程度上决定了光电探测器所能够探测到的最小光电流。一般来说，光电探测器暗电流的表征主要通过无光照下的I-V特性曲线反映。但从产生机制来说，较难有统一的理论解释。通过分析I-V曲线，PN结或者PIN结内部耗尽区的变化、载流子复合以及载流子渡越所感生到的电阻（串联电阻）可以被得出。对于PIN型光电探测器，理想的I-V特性曲线可以通过一定的计算求解，对于硅材料，室温理想情况下，其反向饱和电流密度为10−11 A/cm，实际器件的暗电流量级可能大于这一数值，除了本身的工作机制带来的反向饱和电流、产生复合电流、扩散电流等，实际工艺制作过程中的晶格失配也是不可忽略的。对硅基锗光电探测器来说，晶格失配带来的表面泄露电流增大可能是其暗电流增大的主要原因。对光电探测器来说，暗电流一定程度上反映了它的噪声特性，暗电流较大时，会带来较为验证的噪声和静态功耗，在设计及制作过程中，如何降低光电探测器的暗电流是必须研究的。
2.2.2 响应度
响应度从宏观上可以理解为器件的光电转换效率，又可以称为灵敏度，一定程度上反映了器件的光电转换能力，常规的计算方法为光电流和入射光功率的比值，单位为A/W。响应度的大小和多个因素有关，首先，是和入射光强有关，在同一大小的入射光功率下，光电探测器的响应度越大，表示器件的光电转换效率就越高，器件的响应度参数特性就越好，输出的光电流就越大，但当入射光功率逐渐增大时，器件输出的光电流虽然增大，但由于比例关系的存在，器件的响应度可能会减小，在实际计算过程中发现，器件的响应度随着入射光功率大小的变化存在响应峰值；其次，是和入射波长有关，由于不同的器件材料对应的吸收波长不同，同一种器件材料在不同波长范围内，响应度随着入射波段的变化而变化，当响应度达到峰值时，该波段为器件材料对应的吸收峰值波长，不同器件材料对同一波长的吸收效率不同，计算得出的响应度也不同；最后，是和所施加的偏置电压有关。
第三章 硅基锗光电探测器的优化设计 .................... 31
3.1 横向PIN型红外光电探测器 .................................. 31
3.1.1 沟道宽度对器件性能的影响 ............................. 33
3.1.2 Ge外延区域位置对器件性能的影响 ........................ 35
第四章 横向PIN结构光电性能讨论 ............................... 45
4.1 横向PIN光学性质研究 .............................. 45
4.1.1 垂直入射型横向PIN光电探测器 ........................ 45
4.1.2 波导耦合型横向PIN光电探测器 .......................... 48
第五章 总结与展望 ............................. 61
第四章 横向PIN结构光电性能讨论
4.1 横向PIN光学性质研究
本节将分别对垂直入射型及波导耦合型横向PIN光电探测器的响应特性进行研究，对器件进行光学特性测试，主要分析器件在1550 nm入射光照射下，在响应度、增益等方面的性能参数及结构优势。
4.1.1 垂直入射型横向PIN光电探测器
图4.1展示了硅基锗横向PIN垂直入射红外光电探测器的结构示意图。图4.（1a）和（b）分别为本节主要研究的硅基锗横向PIN光电探测器的三维（3D）和剖面示意图。
器件采用CUMEC平台CSiP1310Cu工艺提供的硅光子（SiP）技术在SOI衬底上制作，顶部硅的厚度为220 nm。顶部硅首先蚀刻隔离，然后进行P区离子注入，该区域电阻为73 Ω/sq（p-Si）。随后再通过离子注入形成N区，该区域电阻为33 Ω/sq（n-Si）。之后，在Si沟道（本征区I区）上方生长了一层厚度为260 nm的外延锗膜。器件的其他结构参数为h1 = 220 nm、h2 = 260 nm、w1 = 2 μm、w2 = 1 μm、w3 = 6 μm。器件的1×8阵列以及单个PD的光学图像分别如图4.1（c）和1（d）所示。这种横向PIN结构的光电探测器允
