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主要作者及研究机构
本研究由Daoqun Liu、Peng Zhang、Bo Tang、Wenwu Wang和Zhihua Li共同完成，他们来自中国科学院微电子研究所和中国科学院大学电子电气与通信工程学院。该研究于2022年4月19日发表在期刊《Micromachines》上，文章标题为“High-Performance Waveguide-Integrated Ge/Si Avalanche Photodetector with Lateral Multiplication Region”。

学术背景
该研究的主要科学领域是光电子器件，特别是基于锗/硅（Ge/Si）异质结的雪崩光电探测器（Avalanche Photodetector, APD）。雪崩光电探测器因其内部增益机制，在光纤通信、光谱学和激光雷达（LiDAR）等领域具有重要应用。然而，传统的Ge/Si APD设计复杂，尤其是电荷层的设计耗时且难以优化。本研究旨在提出一种简化的结构，即在分离吸收和倍增（Separate Absorption and Multiplication, SAM）配置下，设计一种具有横向倍增区的波导集成Ge/Si APD，以实现低电压、高速度的工作性能，同时避免复杂的电荷层设计。

研究流程
研究流程包括设计、制造、表征和性能测试四个主要步骤。

1. 设计与仿真
   研究团队提出了一种新型的波导集成Ge/Si APD结构，其核心特点是在横向倍增区实现雪崩效应。通过仿真软件（如Lumerical FDTD和Lumerical Device）对器件的光学场分布和电场分布进行了模拟，验证了设计的可行性。

2. 制造工艺
   器件在8英寸硅光子平台上采用互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造。具体步骤包括：

   • 通过干法刻蚀制备单模硅波导。
     
   • 制作光栅耦合器，用于将光从光纤耦合到波导中。
     
   • 在硅层中进行硼和磷离子注入，形成欧姆接触区。
     
   • 通过化学气相沉积（CVD）技术生长锗层，并进行化学机械抛光（CMP）以平整表面。
     
   • 完成金属化和钝化工艺。

3. 器件表征
   对器件的静态和动态性能进行了详细测试：

   • 静态性能：测量了暗电流、光电流和响应度。结果显示，器件在12 V的击穿电压下表现出高响应度（15.1 A/W）和高增益（18.1）。
     
   • 动态性能：通过小信号射频（RF）测量，获得了20.7 GHz的带宽，表明器件在低电压下具有高速度性能。

4. 数据分析
   通过对比不同光学功率下的光电流和响应度，分析了器件的增益机制。结果表明，随着反向电压的增加，雪崩效应显著增强，从而提高了器件的性能。

主要结果
1. 静态性能
- 暗电流在0 V时为74 pA，在12 V时达到135 µA。
- 在1550 nm波长下，器件在-22.49 dBm的光学功率下表现出15.1 A/W的高响应度，对应的增益为18.1。

1. 动态性能
   
   • 在10.6 V的反向电压下，器件的带宽达到20.7 GHz。
     
   • 最大增益带宽积（GBP）为232 GHz，表明器件在高速数字通信中具有潜在应用价值。

结论
本研究成功设计并制造了一种低电压、高速度的波导集成Ge/Si APD。与传统的垂直结构相比，该器件通过横向倍增区简化了设计，并避免了复杂的电荷层和硅外延工艺。器件的低击穿电压和高响应度使其在高效能硅光子通信和互连中具有重要应用前景。此外，研究还表明，通过优化锗外延质量，可以进一步降低暗电流并提高器件性能。

研究亮点
1. 创新性结构：提出了一种具有横向倍增区的波导集成Ge/Si APD，简化了传统设计。
2. 高性能指标：器件在低电压下实现了高响应度（15.1 A/W）和高带宽（20.7 GHz）。
3. 工艺兼容性：采用标准CMOS工艺制造，便于大规模集成。
4. 应用潜力：为高效能硅光子通信和互连提供了新的解决方案。

其他有价值的内容
研究还指出，未来的工作将集中在优化锗外延质量以抑制Ge-Si互扩散，并通过缩小倍增区进一步降低工作电压和提高带宽。此外，大信号和噪声性能的测量也将是未来的研究方向。

以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究的背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。