Adv. Photon. | Ge+注入技术实现高性能光电检测

Advanced Photonics 2025年6期文章：

"Broadband sub-bandgap linear photodetection in Ge+-implanted silicon waveguide photodiode monitors" Adv. Photon. 7, 066005 (2025)

在人工智能、光通信和量子计算快速发展的今天，自校准可编程光子学（Self-Calibrating Programmable Photonics, SPPs）正成为连接高性能光子计算与自适应系统的关键纽带，有望为算力密集型和实时性要求高的应用场景提供变革性解决方案。该技术在迈向实用化和大规模集成的道路上，片上功率监测器作为可编程光子网络不可或缺的核心反馈组件，其性能直接决定了系统的自适应调整精度、稳定性和整体能效。

然而，功率监测器的设计面临许多约束：一方面它需要保持极低的光学吸收损耗，避免对传输中光信号造成显著衰减；另一方面它需要具有高响应度，确保对微弱光功率的检测灵敏度；此外，它还需保持低暗电流和低功耗。传统的解决方案，如基于表面态吸收的探测器或异质集成锗等半导体材料的光电探测器，往往难以同时满足这些苛刻的指标，存在响应度不足、工艺复杂或与现有CMOS工艺兼容性差等问题。

近日，香港科技大学潘永安教授团队通过Ge+离子注入技术，首次实现了硅波导光电二极管在电信O波段和C波段的高性能光电检测，为大规模光子集成提供了全新解决方案。相关成果以“Broadband sub-bandgap linear photodetection in Ge+-implanted silicon waveguide photodiode monitors”为题发表在Advanced Photonics 2025年第6期。

Ge⁺注入，诱导材料改性升级

图1 Ge⁺离子注入的p-i-n型光电二极管

如图1（a）所示，研究人员在基于p-i-n结构的光电二级管中的中心区域通过Ge⁺离子注入引入缺陷态。图1（b）中的能级图显示，Ge⁺诱导产生的深能级恰好位于硅的带隙中（E=Ev+0.51 eV），从而形成新的亚带隙（sub-bandgap）。而亚带隙的能量可以覆盖通信O波段到C波段（1310 nm~1550 nm）的光子的能量范围，因此非常适用于吸收这些能量较低的光子；同时，Ge作为IV族元素，与硅的晶格匹配性，因此退火后额外载流子浓度较低；此外，与其他离子（如B⁺或Ar⁺）相比，Ge⁺由于原子质量更大，能在更高注入能量下产生更密集的缺陷态，提升材料内部的量子效率，为高性能光检测奠定基础。

高灵敏大动态的新型光电二级管

图2 探测器的光电响应特性

暗电流和吸收损耗是衡量光探测器实用性的关键指标。如图2所示，经350°C退火后，Ge⁺注入的光电二级管在-3V偏压下的暗电流低至0.8 nA，比未退火样品降低两个数量级，表明晶格缺陷有效修复。吸收损耗测量显示，O波段和C波段的超额损耗分别为1 dB和3 dB，对应吸收系数仅0.004~0.012 dB·μm^⁻¹，比异质集成器件低十个数量级。这种“高响应、低扰动”特性使该器件可直接集成于光子芯片而不需其它光学补偿模块，这为未来高密度集成光芯片的生产制造奠定基础。

图3 探测器的雪崩响应特性

如图3（a）所示，当外部反向偏置电压升至6 V时，光电二极管即能够进入雪崩模式（Avalanche Mode）。图3（b）的仿真结果揭示出了雪崩模式的产生机理：当反向偏压达到6 V时，波导核心区两侧的电场强度约为10⁵ V/cm，这一数值量级达到了硅的碰撞电离阈值，从而触发了雪崩倍增效应。测量表明，在1310 nm和1550 nm波长下，光电二极管的雪崩增益分别达13.4和5.5，响应度提升至0.408 A·W^⁻¹和41.6 mA·W^⁻¹。由此可见，Ge+注入的光电二级管可以同时兼具低偏压监测与雪崩检测双重功能，这使得单个器件可适配从微瓦级功率监控到毫瓦级信号接收的多种场景，大幅提升系统重构性。

除此以外，研究人员计算发现Ge+注入器件的载流子迁移率为270 cm^²·V^⁻¹·s^⁻¹，虽略低于硅，但仍远高于可编程光子学所需的毫秒级响应需求。目前，该器件在-2 V偏压下的3 dB带宽为1.8 GHz。未来有望通过进一步工艺优化提升响应带宽，满足高速光互连要求。

开启硅光时代“芯”篇章

此项工作通过与CMOS兼容的离子注入工艺，在硅中引入深能级缺陷，首次实现了在电信O波段与C波段同时具备高响应度、低暗电流与低光学损耗的亚带隙线性光探测。这项突破使器件能作为低扰动、高灵敏的片上功率监视器，无缝集成于大规模可编程光子网络（如MZI网格、微环阵列），为光神经网络、边缘AI处理器及量子-经典混合系统的实时反馈控制提供关键硬件支持。

未来，通过优化掺杂剖面和热管理，此类光电探测器的性能可进一步提升。该技术更开辟了“缺陷工程”调控硅光电性质的新范式，为发展高密度、可重构的智能光子集成芯片与探索硅基量子光源奠定了坚实基础，有望推动算力、通信与传感技术的深度融合。

期刊简介

Advanced Photonics (AP) 创刊于2019年，是一本重点关注新兴光学领域的基础与应用研究成果、聚焦最新及快速发展的光学与光子学学科的国际OA期刊。期刊入选中国科协高起点新刊计划，2021年被SCI收录，最新影响因子18.8，在全球JCR光学期刊中位列第7 (Q1区) ，中国科学院一区，入选中国科技期刊卓越行动计划 (二期) 。创刊以来AP发表了众多国际顶尖学者的高水平学术论文，并以采访、新闻、评论等丰富的形式，展现了光学与光子学领域的最近进展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus (APN) 接收AP的快速转投和自然来稿，致力于成为既发表基础研究类又发表工程应用类文章的综合性大刊，2025年获首个影响因子6，2024年入选中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。