用于通信的高速和高效硅光电二极管的新范例——低维结构的器件和VLSI集成挑战

薛 澄，厉彦一，王士奇，马宗砚

（山东科技大学 山东 青岛 266590）

分布式计算，云存储，社交媒体和负担得起的手持设备的兴起使得世界各地的大量数据（包括视频，图片和文本）的传输变得非常容易。我们只是在一个以更健康，更安全，高度连接和有效的方式提供前所未有的生活质量的新时代的开始。自主车辆，智能家居智能住宅和智能基础设施将成为未来生活的规范。这些设备即物联网（IoT）的联网将带来需要以更高效和安全的方式传输，存储和分析的大数据[1]。因此，当前数据中心的转型不可避免地要满足这些需求。要么建立许多迷你数据中心，要么扩大现有的数据中心将需要技术开发用于高容量网络数据传输。具有低延迟的大量连接需要接收器具有高带宽和高效率以及最低的功耗。为了跟上数据流量的需求，数据中心中使用的当前铜线互连需要被快速和低成本的光纤互连完全取代[2]。低成本超大规模集成（VLSI）-CMOS兼容器件和器件的开发至关重要，高效率和高速光电探测器（PD）是最关键的器件之一。

A.光子操纵结构集成PD的优点

（1）通过CMOS集成降低成本：Si由于其低成本和非常完善的制造工艺而继续保持吸引力。由于这个原因，基于Si的器件如调制器，耦合器，波导和探测器已经被开发用于Si光子集成电路。然而，Si的间接带隙有助于在接近其带隙波长的Si中显着降低吸收系数，使其不适合作为用于短光学链路的高速PD的选择材料。GaAs和InGaAs/InP在长波长（＞800nm）中具有直接带隙和更高的吸收系数，在短链路中使用的超快接收器市场占主导地位。然而，GaAs和InGaAs/InP的非CMOS处理需要PD与驱动和数据处理电路中使用的电子设备的混合集成，导致更高的收发器成本。最近，通过模板辅助选择性外延，纳米级III-V器件单片集成的示范可以提供高速PD集成到VLSICMOS电路的解决方案，但关键参数的工艺开发和优化如生长温度很可能需要对资金，时间和处理进行重大投资。另一方面，通过CMOS兼容工艺制造的具有微/纳米孔的超快速和高效SiPDs，可以为在同一芯片上集成光学接收器的光学和电学部件铺平道路并且与目前基于III-V材料的技术相比，可以将成本降低30%甚至更多。

（2）通过孔阵列降低电容：p-i-nPD速度的另一个限制是结电容。典型的p-i-nPD中的3-dBBW频率由[3]给出。

B.新技术

超快速，低成本光互连：通常，由Sip-i-nPD提供的数据速率不高于3.5，并且只有使用额外的或集成的互阻抗放大器和均衡器才能实现＞10Gb/s的数据速率。这主要是由于响应率和带宽之间的折衷。为了提高响应度并同时保持高速度，研究人员提出并演示了具有各种器件设计的SiPD。因此，传统方法在GaAs衬底上使用由GaAs/AlGaAs材料系统制成的PD，用于840和860nm之间的数据通信应用。这些PD采用III-V直接带隙材料设计，并提供高QE。但是，它们不兼容CMOS，需要将混合集成或晶圆键合集成到硅电子芯片中。另一种支持高带宽的高效SiPDs是Si雪崩PD（APDs）。但是，APD通常在接近故障的高电压下工作。短距离光链路需要PD供电，直流偏置电压约为3V或更低。与它们的p-i-n对应物相比，APD的功耗使其不利于短距离光链路。另外，SiAPD比p-i-nPD具有更高的噪声水平。对于利用更长工作波长（1300/1550nm）且要求更高数据速率的长距离通信，Ge-on-Si可成为低成本和CMOS兼容处理的首选材料。然而，Ge-on-Si表面照明PDs/APD也存在类似的折衷。Ge的微米/纳米结构可为长距离应用提供高带宽（＞50Gb/s）和高效率的Ge-on-SiPDs/APD。

具有CMOS兼容材料系统（如Si，SiGe和Ge-on-Si）的高速和高效PD的机会可以为低成本光学互连铺平道路，这些互连很容易适应现代广泛的应用数据中心。然而，需要解决器件设计和制造相关的挑战，以挖掘光捕获功能的真正潜力。纳米结构PD的巨大挑战包括以下几点：

（1）缺乏制造电触点的实用解决方案；

（2）由于高表面体积比结构造成的高密度表面态引起的高漏电流和表面复合；

（3）由最小化材料引起的高阻力；

（4）在单纳米线PD的情况下光耦合不足；

（5）等离激元结构的尺寸与CMOS处理不兼容。

鉴于SiPD和CMOS电路集成的复杂性以及PD设计的多样性，本文的评论并非详尽无遗。本综述旨在提供超快通信链路PD设计技术和集成方面的挑战，并作为超快硅探测器中用于通信（包括单光子通信和量子通信）的高级研究活动的文件。我们相信Si基超高速光电二极管将为高性能VLSI接收器做出贡献，并将成为短距离和长距离通信链路中的重要模式。