Intel的微环型全硅探测器

上个月月初，Intel在Lab Day上展示了其在硅光领域的进展与路线图，提出了one silicon platform的概念，原型芯片结构如下图所示，包括异质集成的III-V激光器, 微环调制器，全硅探测器和SOA等关键元件。

对于硅光的探测器，通常的做法是外延生长锗材料，利用Ge吸收O波段和C波段的光。Intel用硅作为探测器的材料，小豆芽对这块不是很熟悉，借这篇笔记整理下相关的知识点。

我们知道，硅材料的带隙是1.12eV, 无法直接吸收能量小于1.12eV（1.1um）的光。但是借助于一些其他的物理机制，硅也可以实现对sub-bandgap的光吸收。主要的物理机制有下列几种：

1）双光子吸收 (two-photon absorption, 简称TPA)

当单个光子的能量不小于带隙的一半时，两个相同波长的光子可以同时被吸收，产生电子空穴对，如下图所示，

（图片来自文献1）

由于要保持动量守恒，整个过程需要声子的参与。双光子吸收系数与硅的三阶非线性系数相关，满足

2）表面态吸收（surface state absorprtion）

在硅材料的界面处，因为加工的原因会存在一些表面态，它们相当于在带隙中引入了中间能级，借助于这些中间能级，sub-bandgap的光可以被硅吸收，如下图所示，

（图片来自文献1）

此外，沉积多晶硅层，也可以引入表面态。

3）光子辅助的隧穿效应(photon assisted tunneling effect)

其主要原理是在反偏的PN结中，耗尽区的电场增强，导致价带和导带的空间距离减小，价带中的电子吸收了sub-bandgap光子的能量后，有一定几率隧穿到导带中，如下图所示，

（图片来自文献2）

4) 内光发射效应(internal photoemission effect, 简称IPE)

通过金属与p型硅形成肖特基结，金属中的电子被激发到高能级，然后传输到Si材料中，如下图所示，

（图片来自文献1）

Intel所采取的方案是反偏的PN结，与耗尽型调制器结构类似，脊形波导的宽度为400nm, 高度为300nm，刻蚀深度为200nm。为了进一步降低暗电流和结电容，Intel采用了微环型的探测器结构(以下简称MRPD)，如下图所示, 微环的半径为10um。

(图片来自文献3)

MRPD涉及到的物理效应包括双光子吸收、表面态吸收以及光子辅助的隧穿效应。其偏置电压非常高，为-5.8V左右。这应该是为了在耗尽区形成较强的电场(~10e5 V/cm)。

因为是微环结构，探测器的吸收波长是波长敏感的， 这在响应率和带宽的测试结果中有所体现，波长变化500pm, 如下图所示，

（图片来自文献3）

MRPD的响应率和带宽之间存在trade-off, 其带宽满足下面的关系式，

当Q值较高时，光子的寿命较大，对应的响应率也较大，但是此时的3dB带宽较小。这一点在Intel的实验中也有所体现，当偏置电压为-5.8V时，响应率为0.23A/W, 带宽为35GHz，暗电流小于100nA; 而当偏置电压为-5.9V时，响应率为0.7A/W, 带宽为11.2GHz, 暗电流小于400nA。

Intel在文献3中展示了MRPD的PAM4眼图结果，如下图所示，

PAM4的TDECQ为2.4dB, 信号速率为112Gb/s。

简单总结一下，Intel在硅光领域已经积累15年多，许多个硅光领域的世界第一是来自于Intel硅光研究组。所谓的微环型全硅探测器，其PAM4信号接收速率可以达到112Gb/s, 响应率为0.23A/W, 暗电流小于100nA。响应率的指标与Ge PD相比，还是逊色不少。MRPD的优势在于将微环和PD合二为一，器件尺寸可以大大缩小，加工工艺简单，不用涉及Ge材料的外延生长。个人感觉目前比较大的问题是偏置电压太大，对应的功耗会比较大。短期来看，该技术方案还不能与Ge PD竞争，但不失为一个潜在的技术路线。全硅还是比较诱人的。

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参考文献：

1. M. Casalino, et.al., "State-of-the-art all-silicon sub-bandgap photodetectors at telecom and datacom wavelengths", Laser Photonics Rev. 10.895 (2016)
2. J. You, et.al., "Photon-assisted tunneling for sub-bandgap light detection in silicon PN-doped waveguides", Opt. Exp. 25,4284 (2017)
3. M. Sakib, et.al., "A 112 Gb/s all-silicon micro-ring photodetector for datacom applications", OFC 2020