基础知识：探测器与截止波长

我们先从两个基础概念说起：能带和截止波长。

从能带理论来看，半导体的价带（通常被电子填满，即满带）与导带（通常没有电子，即空带）是完全分离的

一个光子要激发出可探测的电信号，必须携带足够的能量，将电子从束缚态（价带）激发到自由态（导带）。

这个所需的最低能量，就是材料的禁带宽度Eg，也就是上图中价带与导带之间的间隔。

不同材料的 Eg 不同。以硅为例，室温下其禁带宽度约为 1.12 eV。对于硅探测器，入射光子的能量必须大于这个值，电子才能被激发到导带，产生电子-空穴对，并在外电场作用下移动形成电流，这就是所谓的光电效应哈。

而入射光子的能量与波长相关，波长越长，光子能量越小，波长越短，能量越大。

那么截止波长指的就是光电探测器能够响应的光波长的最大值。一旦波长超过这个值，光子能量就不足以激发电子跃迁，探测器无法有效响应。

有一个公式可近似计算，将硅的禁带 Eg 带入下面的公式，可以计算出硅的截止波长为 1107 nm。

也就是说，硅探测器可以探测波长小于 1107 nm 的光。例如常用的 850 nm 光就在其响应范围内，而 1310 nm 和 1550 nm 这些光纤通信窗口的光，硅就无法响应了。

因此，在一些短距离光模块，比如说数据中心的多模光纤互联场景中，会用硅探测器配合 850 nm 或 980 nm 的 VCSEL。

但 VCSEL 本身通常用 GaAs 材料制备，GaAs 的截止波长约为 873 nm，同样可以覆盖 850 nm 波段。如果探测器也用 GaAs 材料，就可以实现单片集成了。另一类常用的材料是三元合金 InGaAs，它的截止波长可在 0.87 μm ~ 3.5 μm 之间调节。因此，在 1310 nm / 1550 nm 窗口多用用 InGaAs 探测器。

虽然 InGaAs 探测器性能优异，但依赖 InP 衬底。若与硅基 CMOS 电路集成，需通过倒装焊或键合等方式进行异质集成，这会增加封装复杂度与成本。那么锗（Ge）材料的情况如何呢？锗的间接带隙约为 0.66 eV，代入公式可得其截止波长约为：

因此，纯锗探测器是可以覆盖到约 1550 nm 窗口的波长，甚至 1625nm 的 L 波段。而且还能直接在硅衬底上生长。

这样一来，无论是使用纯锗材料，还是在硅中掺杂锗（形成硅锗合金），都可以将探测器的响应波长范围向更长波段拓展

华为：带应力层的 C+L 波段 100G 带宽锗硅光探测器

感谢阅读！

欢迎您加入我们的社群，获取大量半导体芯片/光器件/光模块领域的高价值技术文档、趋势研报！