突破100 GHz带宽极限：梯度电场工程实现超快锗硅雪崩光电二极管

《Nature Communications》：Ultrafast avalanche photodiode exceeding 100 GHz bandwidth

本刊推荐：为解决传统雪崩光电二极管(APD)带宽受限于锗(Ge)材料高电离系数比(k≈0.9)的瓶颈问题，研究人员开展了基于分离吸收-电荷-陡崖-倍增(SAC2M)结构的单极载流子倍增(UMC)技术研究。通过梯度电场工程在薄Ge区内建立电子主导的非对称倍增机制，实验获得105 GHz创纪录带宽（增益=7）和4800 GHz增益-带宽积(GBP)，成功实现260 Gb/s PAM4信号接收并较无增益探测器提升9 dB灵敏度。该工作为免放大器光通信、超精密光学传感和大规模光计算提供了关键技术支撑。

　　

在当今数据爆炸式增长的时代，光通信系统如同信息社会的"超级高速公路"，而高速高灵敏度光电探测器则是这条公路上至关重要的"收费站"。传统雪崩光电二极管(APD)虽然通过内部载流子倍增机制显著提升检测灵敏度，但其带宽性能却始终难以突破百吉赫兹( GHz)大关，这主要受限于雪崩建立时间的随机性和材料本身的载流子电离特性。特别是广泛应用的锗硅(Ge/Si) APD，虽然凭借硅材料的低电离系数比(k=0.02-0.05)和与互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺的天然兼容性占据主流地位，但高k值的锗材料( k≈0.9)在强电场下会引发双载流子同时倍增，导致带宽长期徘徊在数十GHz水平。

面对这一材料本质限制，华中科技大学与剑桥大学联合研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出了"单极载流子倍增"(UMC)新概念。通过创新性地设计分离吸收-电荷-陡崖-倍增(SAC²M)结构，研究人员成功在薄Ge区内构筑了梯度分布的电场，使电子和空穴在相反运动方向上经历截然不同的倍增动力学过程，最终实现电子主导的非对称倍增。实验制备的UMC-APD在增益为7时达到105 GHz的创纪录带宽，在增益13.4时仍保持100 GHz带宽，首次使APD带宽性能迈入百GHz级别，达到了与无增益Ge/Si PIN光电二极管相当的水平。

关键技术方法包括：基于绝缘体上硅(SOI)平台的波导耦合结构设计，采用420×220 nm²单模Si波导与150 nm厚Ge区的倏逝波耦合；通过轻掺杂电荷层和高掺杂陡崖层实现Ge区内梯度电场分布；集成360 pH片上电感优化RC延迟；利用Si基分布式布拉格反射镜(DBR)补偿因缩短Ge长度至5.8 μm而降低的光响应度。

Device concept and design

研究团队通过理论分析指出，APD的带宽由雪崩建立时间、载流子渡越时间和电阻电容(RC)延迟共同决定。与传统SACM结构在Ge区维持均匀低电场不同，SAC²M结构通过在i-Ge下方设置轻掺杂电荷层产生随空间位置线性变化的梯度电场，同时在Ge区下方布置薄而高掺杂的陡崖层形成局部电场陡崖。这种设计使电子能快速加速进入高场区发生碰撞电离，而空穴则被导向电离被抑制的低场区，从而实现电子主导的不对称倍增。此外，陡崖层将高电场局限在极窄区域，利用死空间效应(dead-space effect)显著减小了电离路径长度的波动性。

仿真优化表明，当电荷层掺杂浓度优化为2×10¹⁷cm^-3时，可获得理想的梯度电场分布。通过引入最佳电感值360 pH，在i-Si宽度100 nm、i-Ge宽度300 nm的结型尺寸下，理论带宽可达110 GHz。

Device Performance

实测结果显示，器件在-1.5 V时获得单位增益，击穿电压低至-7.2 V。引入DBR后内响应度从0.3 A/W提升至0.51 A/W。在-22 dBm光功率下，器件在-6 V偏压时达到105 GHz峰值带宽，对应增益为7；在-6.8 V时保持100 GHz带宽（增益=13.4）；在击穿电压-7.2 V时带宽为84 GHz（增益=21.6）。特别值得注意的是，在-31 dBm低光功率下，增益-带宽积(GBP)高达4800 GHz，较传统Ge/Si APD提升一个数量级。

High-speed optical interconnect demonstration

高速光互连演示中，单通道UMC-APD在-6.8 V偏压下成功接收130/150 Gb/s OOK信号以及224/260 Gb/s PAM4、270/285 Gb/s PAM8信号。灵敏度测试表明，在软判决前向纠错(SD-FEC)阈值(BER=2×10^-2)下，130 Gb/s OOK信号灵敏度达-16.3 dBm，260 Gb/s PAM4信号灵敏度为-10.1 dBm，较带宽匹配的PIN光电二极管提升9 dB。八通道阵列更实现了8×260 Gb/s（总容量2.08 Tb/s）波分复用PAM4信号接收，展现出在大容量光互连中的应用潜力。

Discussion

研究通过对比现有III-V族和硅基APD性能指标（见表1），凸显了本工作在带宽（105 GHz）、GBP（4800 GHz）和数据传输速率（260 Gb/s PAM4）方面的突破性进展。过量噪声测量表明器件k值低至0.06，显著优于传统Ge/Si APD（k=0.1-0.3）和纯Ge APD（k=0.7）。温度稳定性分析显示击穿电压温度系数为10.1 mV/°C，与典型Ge/Si APD相当且优于传统III-V APD。该UMC策略具有普适性，可通过调整电场分布推广至其他材料体系，为超越材料本征限制提供了新范式。

本研究成功演示了带宽超过100 GHz的雪崩光电二极管，通过波长分复用支持超过2.08 Tb/s数据接收能力，同时较等带宽无增益探测器实现9 dB灵敏度提升。波导耦合结构、低工作电压和CMOS兼容工艺使该器件在免放大器光通信、超精密传感和大规模光计算领域展现出广阔应用前景。