低電壓高速 Si-Ge 雪崩二極體

提出了一種Si-Ge雪崩光電二極體（APD）設計，並實現了-10V的擊穿電壓，25GHz的速度，276GHz的增益帶寬乘積（GBP）以及高達30Gbps的數據速率運行。（OECC 2016）

 

第一節    介紹

 

數據中心對帶寬和功率效率的日益增長的需求加速了光子互連和光開關的發展。具有光輸入/輸出埠的交換機的關鍵組件是電信波長的CMOS兼容光電二極體。矽鍺pin光電二極體在過去的十年中得到了廣泛的開發，並且與III-V同類光電二極體相比已經取得了良好的性能。Si-Ge光電二極體具有低成本和大規模可製造性的優點。為了進一步降低功耗和成本，已經研究了具有低電壓供應和高速的雪崩光電二極體。以前，基於Si-Ge的APD在10Gbps時達到了-30dBm的靈敏度，但是這種APD在25V以上，以10Gbps的數據速率下工作。儘管最近已經研究了僅純Ge的低壓APD，並且已經實現了低於10V的工作，但是鍺的使用是因為吸收區和倍增區都增加了暗電流，限制了APD增益帶寬乘積，從而阻止了器件在高增益和高速率下工作。在本文中，首先討論實現低壓和高速APD的設計注意事項。然後，演示了一種擊穿電壓為10V，速度為25GHz的APD。通過實驗證明了276GHz的增益帶寬積。這種設計可以在數據中心中使用APD。它的使用可以大大降低光鏈路中的雷射功率和總能耗。或者，單個雷射器可以為多個WDM通道提供功率，從而降低了系統成本。

 

第二節    設計與測量

 

波導APD設計為具有獨立的吸收電荷倍增（SACM）結構。通過適當的電荷層摻雜，可以將高電場限制在矽倍增區中，而將低電場限制在鍺中。圖1（a）圖中顯示了該器件的示意圖，插圖顯示了每一層的摻雜和厚度。為了實現低電壓操作，本徵矽倍增區的厚度減小到約100nm。這使得工作電壓低於10V，同時仍在矽中產生足以實現載流子倍增的電場。在光學上，波導設計允許光傳播通過矽並倏逝耦合至鍺吸收區，從而使響應度與鍺厚度無關。這為提供了設計上的靈活性，並使該設備能夠高速和高響應性地工作。在運行期間，光生載運的鍺會漂移進入矽中。一旦進入矽片，高電場導致碰撞電離並產生更多的電子-空穴對。由於矽的碰撞電離率比大多數III-V材料低得多，因此在倍增過程中產生的電子比空穴多，從而有效地降低了噪聲係數並增加了增益帶寬積。

 

圖1（b）顯示了電流的電壓曲線（IV）4 um× 10um設備（設計S1）。該器件的直流穿通電壓為-2V，擊穿電壓為-10V。直流穿通電壓由光電流中的小駝峰表示。在該偏壓下，矽和鍺之間的導帶能壘降低，並且更多的光生電子可以克服該勢壘並移動到矽中。通過將APD的響應度與具有相同結構但沒有電荷層摻雜的Pin光電二極體進行比較來確定增益（設計S3）。圖1（c）顯示了另一個具有更高電荷層摻雜的器件（設計S2），其中電場完全限制在矽中。如果沒有鍺中的電場，光生載流子就不會漂移到矽中，因此不會收集到任何光電流。IV曲線還表明該器件的擊穿電壓為-8V。這也表明，在S1器件中，矽固有區域的壓降為8V，鍺的壓降為2V。圖1（d）顯示了具有相同結構但沒有電荷層摻雜的S3器件的IV曲線。由於它缺少p型電荷層摻雜，因此即使在很小的偏置下也會在鍺上施加電場，並且在0V附近會出現飽和電流。但是，由於矽中的電場很低，所以矽中不會發生乘法過程，並且該器件在正常工作期間不會顯示增益。測量了用於設計S1和S3的許多設備。最佳響應度為1.05A/ W，相當於在1550nm處的內部量子效率為84％，在4um× 50um設備尺寸中。

 

   

APD帶寬由脈衝響應方法表徵，測量設置如圖2（a）所示。飛秒脈衝雷射器耦合到該設備，並在數十飛秒內產生電子空穴對。由於鍺層是p型摻雜的，作為主要載流子的空穴會很快複合，從而留下電子作為單極載流子，並以飽和速度從鍺傳播到矽。APD時間響應結合了載波傳輸時間和RC延遲，從而擴展了電脈衝。使用DCA採樣示波器來測量電脈衝並通過使用傅立葉變換來檢索頻域響應。圖2（a）顯示了4umx 10um增益為5時的APD和插圖顯示了採樣示波器的脈衝響應。APD脈衝的半峰全寬（FWHM）為14ps，對應於25GHz的單位增益帶寬。圖2（b）繪製了同一器件的帶寬與增益的關係。當增益為12且帶寬為23時，可獲得276GHz的最大增益帶寬積。圖2（c）顯示了一系列具有4 um寬度和各種長度。藍色實線表示考慮到載波傳輸時間和RC延遲的影響而計算出的總帶寬，其中RC延遲在綠色實線中繪製。

 

還通過不使用外部放大器直接探測晶片上的APD來測量大信號響應。CW雷射源耦合到40Gb / s的電光調製器，並由2^7-1 PRBS源進行調製。調製後的光信號耦合到APD，並通過DCA採樣示波器測量眼圖。圖3（a）-（c）分別顯示了在各種偏置和數據速率分別為12.5Gbps，25Gbps和30Gbps的情況下-4μmx10μmAPD的眼圖。在單位增益下，信噪比（S / N）太低，無法觀察到眼睛睜開。增益為2時，設備會睜開眼睛，增益為5.9時，睜大眼睛時12.5Gbps的S / N為9。在30Gbps的數據速率下，仍然可以看到增益為4的睜開眼睛。

 

第三節    結論

已經展示了工作在10V和25Gbps的低壓Si-Ge APD。獲得高達30Gbps的無錯誤檢測。還討論了高速低壓APD的設計注意事項。

 

 

最新的設計和模型，見下文，需要原文的請留下郵箱。