專利名稱：具有分開的吸收和倍增區(qū)域的鍺/硅雪崩光電檢測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的實施例總體來說涉及光學裝置，更具體地說，涉及光電檢測器，但不僅限于此。
背景技術：
因為因特網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸增長率超過話音傳輸而推動對光纖光通信的需要，所以對快速和有效的基于光的技術的需要不斷增加。在密集波分復用(DWDM)系統(tǒng)中的同一光纖之上的多光信道的傳輸提供了使用由光纖提供的空前容量(信號帶寬)的簡單方法。在系統(tǒng)中通常使用的光學元件包括波分復用(WDM)的發(fā)射機和接收機、濾光器，例如，衍射光柵、薄膜濾光器、光纖Bragg光柵、陣列波導光柵、光學添加/下降(add/drop)多路器、激光、光交換機和光電檢測器。光電二極管可以用作光電檢測器，通過將入射光轉換為電信號來檢測光。電路可以與光電檢測器連接在一起，以接收表示入射光的電信號。然后電路可以根據(jù)所要求的應用處理電信號。


參考以下附圖介紹本發(fā)明的非限定和非窮舉的實施例，其中相同的標號指的是全部圖中相同的部分，除非另作說明。
圖1A是說明在用于本發(fā)明實施例的系統(tǒng)中具有分開的吸收和倍增區(qū)域的多個鍺/硅雪崩光電檢測器的剖面圖的圖。
圖1B是說明布置在用于本發(fā)明實施例的二維陣列中的具有分開的吸收和倍增區(qū)域的多個鍺/硅雪崩光電檢測器的俯視圖的圖。
圖2是說明相對于用于本發(fā)明實施例的雪崩光電檢測器的吸收區(qū)域的硅和鍺層的響應率對波長的關系的圖。
圖3是說明在用于本發(fā)明實施例的具有分開的吸收和倍增區(qū)域的鍺/硅雪崩光電檢測器的倍增區(qū)域中使用硅對靈敏度的改善的圖。
圖4A是說明用于本發(fā)明實施例的具有諧振腔的鍺/硅雪崩光電檢測器的剖面圖的圖。
圖4B是說明用于本發(fā)明實施例的具有顯示出產(chǎn)生的電子空穴對的諧振腔的鍺/硅雪崩光電檢測器的剖面圖的另一個圖。
具體實施例方式
公開了具有分開的吸收和倍增(SAM)區(qū)域的鍺/硅雪崩光電檢測器(APDs)的方法和裝置。在下面的介紹中，闡述了大量的特定的細節(jié)，以便提供對本發(fā)明的徹底的了解。然而，對于本領域的普通技術人員來說，顯然不必采用特定的細節(jié)來實踐本發(fā)明。在其它情況中，沒有詳細介紹眾所周知的材料或方法，以免模糊本發(fā)明。
貫穿本說明書，對“一個實施例”的引用是指在本發(fā)明的至少一個實施例中包括結合實施例進行描述的特定的特征、結構或特性。因此，在貫穿本說明書的不同地方出現(xiàn)的短語“在一個實施例中”不一定全部涉及同一個實施例。此外，在一個或多個實施例中，特定的特征、結構或特性可以以任何合適的方式組合。另外，可以理解，隨同提供的附圖對于本領域的普通技術人員是用于說明目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。
圖1A是說明用于本發(fā)明實施例的系統(tǒng)100的剖面圖的圖，包括以具有一維或多維的柵格或陣列101方式排列的多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N。光照(illumination)117入射到陣列101的多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N的一個或多個上。在所示的例子中，具有光照117的對象116的圖像可以通過光學元件130聚焦到陣列101上。因此，陣列101可以起檢測圖像的作用，類似于，例如，互補金屬氧化物半導體(CMOS)傳感器陣列等。
圖1B示出了用于本發(fā)明實施例的具有以二維柵格方式排列的多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N的陣列101的俯視圖，由此多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N中的每一個起像素等的作用。在圖1B中所示的例子示出了在光照117內使用陣列101的像素的對象116的圖像118。
注意，雖然圖1A和1B為了說明的目的說明了在成像系統(tǒng)中采用的雪崩光電檢測器的例子應用，但是在其它類型的應用中也可以采用雪崩光電檢測器，例如，根據(jù)本發(fā)明的啟示實現(xiàn)了包括可見到紅外波長的具有任何波長的光的檢測。
重新參考圖1A，光學元件131可以是透鏡或其它類型的折射或衍射光學元件，由此將具有光照117的圖像聚焦在陣列101上。對于本發(fā)明的實施例，光照117可以包括可見光、紅外光和/或跨過可見到紅外光譜的波長的組合。
在圖1A所示的例子中，多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N中的每一個包括半導體材料層105、107、109、111、113和115。接觸131與層105連接在一起，接觸133與層115連接在一起。對于一個實施例，層105是具有例如5e19cm-3的摻雜濃度和例如100納米的厚度的硅的p+摻雜層。對于一個實施例，層105具有提供改善接觸131與層105之間的電連接的摻雜濃度。對于一個實施例，層107和109是形成雪崩光電檢測器103A的吸收區(qū)域135的本征半導體材料區(qū)。對于一個實施例，層107是本征硅層，層109是本征鍺層。緊鄰吸收區(qū)域135的是分開的倍增區(qū)137，包括例如硅的本征半導體材料層113。如說明的例子所示，層113布置在p-摻雜硅層111與n+摻雜硅層115之間。對于一個實施例，層111具有例如100納米的厚度和例如1-2e17cm-3的摻雜濃度。對于一個實施例，層115具有例如5e19cm-3的摻雜濃度。在所示的例子中，多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N中的每一個連接在地與電壓V1、V2、...、Vn之間，由此偏置每個雪崩光電檢測器在層105與115之間如圖所示產(chǎn)生電場。
當然，應當理解，在本公開中描述的特定例子的摻雜濃度、厚度和材料等是為了說明的目的，并且根據(jù)本發(fā)明的啟示也可以利用其它摻雜濃度、厚度和材料等。
操作中，光照117入射到多個雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N中的每一個的一個或多個層105上。層105較薄，由此基本上所有的光照117穿過層105傳播到吸收區(qū)135的層107。對于一個實施例，本征硅層107吸收波長在大約420納米到大約～1100納米范圍內的光。波長大于大約～1100納米的大部分光穿過本征硅層107傳播到吸收區(qū)135的本征鍺層109中。本征鍺層109吸收穿過層107的波長達到大約1600納米的剩余的光。
為了說明，圖2是示出了用于本發(fā)明實施例的硅和鍺的響應率對波長關系的例子的圖201。特別地，圖201示出了硅的響應率相對于波長的曲線207，以及鍺的響應率相對于波長的曲線209。對于一個實施例，曲線207可以對應于圖1A的本征硅層107的響應率，而曲線209可以對應于圖1A的本征鍺的響應率。如曲線207所示，硅吸收具有如大約420納米一樣短的波長。隨著波長加長，由于硅在紅外波長的較低的吸收，硅的響應率開始下降。的確，隨著光的波長在這一點上增加，硅隨著光變得更加靠近紅外區(qū)而變得更加透明。因此，相對于圖1A，更長波長的光照117不在層107中吸收而是傳播到層109。然而，對于本發(fā)明的實施例，曲線209顯示出在層109中鍺吸收穿過層107的波長達到大約1600納米的更長波長的光。根據(jù)本發(fā)明的啟示，在層107中，硅吸收小于大約～1000納米的較短波長的光，同時鍺在同一波長范圍下具有更大的吸收率，否則由于表面復合將不會產(chǎn)生顯著的光電流。
因此，重新參考圖1A，根據(jù)本發(fā)明的啟示，利用在吸收區(qū)135中本征硅層107和本征鍺層109的組合，在雪崩光電檢測器的吸收區(qū)135中吸收從波長大約420納米的可見光直到波長達到大約1600納米的較長的紅外波長的光照117。在半導體層107和109中光照117的光吸收導致在吸收區(qū)135中光載流子或電子空穴對的產(chǎn)生。
由于在雪崩光電檢測器中存在偏置和電場，導致在吸收區(qū)135中產(chǎn)生的電子空穴對的空穴向層105的方向漂去，而電子向層115的方向漂去。隨著電子漂移進入倍增區(qū)137，電子在本征硅層113中經(jīng)受由在層111中的p-摻雜硅和在層115中的n+摻雜硅的相鄰層的摻雜水平引起的較高的電場。作為層113中的高電場的結果，根據(jù)本發(fā)明的啟示，從吸收區(qū)135漂移進入倍增區(qū)137的電子發(fā)生碰撞電離。因此，對于本發(fā)明的實施例，在吸收區(qū)135中由光照117的吸收產(chǎn)生的光電流在倍增區(qū)137中被倍增或放大。然后在接觸131和133處收集光載流子。例如，可以在接觸131處收集空穴，在接觸133處收集電子。根據(jù)本發(fā)明的實施例，接觸131和133可以與電路連接在一起，以處理在接觸131和133中的每一個處出現(xiàn)的信號。
如上所述，倍增區(qū)137包括在層113中的本征硅以及分別在相鄰p-摻雜和n+摻雜層111和115中的硅。圖3是說明在利用倍增區(qū)137中的硅代替另一種材料，例如，磷化銦(InP)，的雪崩光電檢測器的實施例中實現(xiàn)改善靈敏度的圖301。特別地，圖301示出了對于雪崩光電檢測器的各種實施例，接收機靈敏度dBm對光電倍增增益M之間的關系的圖301。特別地，曲線333示出了基于磷化銦的雪崩光電檢測器的接收機靈敏度與光電倍增增益的關系，而曲線335示出了基于硅的雪崩光電檢測器的接收機靈敏度與光電倍增增益的關系。如通過比較圖3中的曲線333和335可以看到的，對于本發(fā)明的實施例，通過使用基于硅的雪崩光電檢測器代替基于磷化銦的雪崩光電檢測器，接收機靈敏度大約改善了4-5dB。由此可見，對于本發(fā)明的實施例，在倍增區(qū)137中用硅代替磷化銦需要較少的功率就可以精確地檢測由雪崩光電檢測器接收到的光信號中編碼的信號。
因為在材料中的電子和空穴的碰撞電離特性，對于本發(fā)明的實施例，利用在倍增區(qū)137中的硅改善如圖1A和1B所示的雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N的靈敏度。對于本發(fā)明的實施例，因為在倍增區(qū)137中使用硅，所以基本上只有一種類型的載流子，特別是電子，能夠實現(xiàn)碰撞電離。這可以用空穴與電子的碰撞電離系數(shù)比的k因數(shù)定量地看出。硅具有低于，例如，磷化銦，大約一個數(shù)量級的k因數(shù)。使用硅的結果是，在倍增區(qū)137中基本上只有電子而不是空穴被有選擇地倍增或放大。因此，對于本發(fā)明的實施例，與具有較高k因數(shù)的材料相比，縮小了雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N中的噪音和不穩(wěn)定性。示出過量噪聲與k因數(shù)(k)之間關系的公式為FA(M)＝kM+(1-k)(2-(1/M)) (公式1)這里FA是過量噪聲因數(shù)，M是雪崩光電檢測器的增益。
因為對于本發(fā)明的實施例，通過使用倍增區(qū)137的硅基本上只有電子能夠實現(xiàn)碰撞電離，所以因為倍增區(qū)137中產(chǎn)生超過一種類型的載流子而引起失控(runaway)的機會顯著地減小。為了說明，對于本發(fā)明實施例的硅的k因數(shù)值小于0.05或大約0.02-0.05。比較起來，其它材料，例如，砷化銦鎵(InGaAs)的k因數(shù)值是大約0.5-0.7，而鍺的k因數(shù)值是大約0.7-1.0。因此，本發(fā)明實施例使用硅的k因數(shù)值小于其它材料。因此，在倍增區(qū)137中對于雪崩光電檢測器的實施例使用硅，導致其靈敏度相比使用其它材料，例如砷化銦鎵或鍺等，的雪崩光電檢測器得到改善。
圖4A是說明用于本發(fā)明實施例的具有諧振腔的鍺/硅雪崩光電檢測器403的剖面圖的圖。應當理解，根據(jù)本發(fā)明的啟示，雪崩光電檢測器403與圖1A和1B中示出的雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N的例子具有相似性，并且可以使用雪崩光電檢測器403代替雪崩光電檢測器103A、103B、...、103N的任何一個或多個。重新參考圖4A所示的例子，雪崩光電檢測器403包括層405、407、409、411、413和415。在圖4A所示的例子中，雪崩光電檢測器403布置在一絕緣體上硅(SOI)的晶片上，因此，雪崩光電檢測器也包括硅襯底層419和在圖4A中示出作為埋置氧化物層425的反射層。對于一個實施例，雪崩光電檢測器403也包括在層407的表面上的層405的對側上布置在層407的表面和內部的護圈421，如圖4A所示。
對于一個實施例，層405和護圈421是具有一摻雜濃度的p+摻雜硅，該摻雜濃度在與層405和層407連接在一起的接觸之間提供改善的電連接。對于一個實施例，緊鄰層405布置護圈421，如圖4A所示，以防止或減少電場延伸到或超過雪崩光電檢測器403的邊緣。根據(jù)本發(fā)明的啟示，通過幫助隔離或限制在雪崩光電檢測器403的結構內的電場，護圈431有助于減小雪崩光電檢測器403結構的漏電流。
對于一個實施例，層407和409形成雪崩光電檢測器403的吸收區(qū)435。對于一個實施例，層407是本征硅層，層409是本征鍺層。緊鄰吸收區(qū)435是包括本征硅層413的分開的倍增區(qū)437。如描述的例子所示，層413布置在P-摻雜硅層411與n+摻雜硅層415之間。對于一個實施例，層411和415具有在倍增區(qū)437的層413中產(chǎn)生高電場的摻雜濃度。例如，對于一個實施例，層411具有例如1-2e17cm-3的摻雜濃度，層415具有例如5e19cm-3的摻雜濃度。另外，對于本發(fā)明的實施例，在層405與層415之間也存在較低的電場。
操作中，如圖4A所示，光照417導向雪崩光電檢測器403，并且入射到雪崩光電檢測器403的表面上。在圖4A所示的例子中，引導光照417穿過自由空間并入射到層405的表面上。根據(jù)本發(fā)明的啟示，在吸收區(qū)435中吸收光照417的光，在倍增區(qū)437中倍增來自光電流的電子或在吸收區(qū)435中產(chǎn)生的電子空穴對，作為碰撞電離的結果。對于一個實施例，在埋置的氧化物層425與光照417的光入射的雪崩光電檢測器403的表面之間的雪崩光電檢測器403中也限定了諧振腔。結果，光照417的光在埋置的氧化物層425與雪崩光電檢測器的表面之間的諧振腔中循環(huán)，如圖4A所示。
圖4B是說明用于本發(fā)明實施例的具有顯示出產(chǎn)生的電子空穴對的諧振腔的雪崩光電檢測器403的增加細節(jié)的剖面圖的另一個圖。特別是，圖4B示出了入射在雪崩光電檢測器403的層405表面上的光照417。當光照穿過吸收區(qū)435的層407和409時，光被吸收，產(chǎn)生包括電子427和空穴429的光電流或電子空穴對。在p+摻雜層405與n+摻雜層415之間具有電場，電子427從吸收區(qū)435漂移到倍增區(qū)437中。在倍增區(qū)437的層413中存在高電場，電子427發(fā)生碰撞電離，產(chǎn)生其它電子空穴對，并因此導致在吸收區(qū)435中產(chǎn)生的光電流的倍增或放大。然后，對于本發(fā)明的實施例，由與層405和415連接在一起的接觸收集空穴429和電子427。
依照進一步說明地，來自光照417的沒有在第一次穿過雪崩光電檢測器403中被吸收的光被埋置的氧化物層425反射，在圖4B中說明為SiO2，并且穿過雪崩光電檢測器403來回循環(huán)，如圖所示。結果，根據(jù)本發(fā)明的啟示，來自光照417的光在吸收區(qū)435和倍增區(qū)437內反復循環(huán)，由此增加光照417的吸收概率并改善雪崩光電檢測器403的性能。
說明本發(fā)明的實施例的包括理論上描述的上述介紹不是打算窮舉或限定于精確的公開形成。雖然在此為了說明性的目的介紹了本發(fā)明的特定實施例和例子，但是如本領域的技術人員將認識到的，各種等價的改良和改進是可能的。的確，應當理解，為了說明的目的提供特定波長、尺寸、材料、時間、電壓功率范圍值等，并且在根據(jù)本發(fā)明的教導的其它實施例中也可以采用其它值。
對于本發(fā)明的實施例可以按照上述詳細說明進行這些改進。在隨后的權利要求書中使用的術語不應該視為將本發(fā)明限定于在說明書和權利要求書中公開的特定的實施例。相反地，范圍完全由隨后的被視為根據(jù)權利要求書闡明的原理建立的權利要求書確定。
權利要求
1.一種裝置，包括包括緊鄰第二類型半導體區(qū)的第一類型半導體區(qū)的吸收區(qū)，所述第一類型半導體吸收在第一波長范圍內的光，所述第二類型半導體吸收在第二波長范圍內的光；以及被限定緊鄰所述吸收區(qū)并且與所述吸收區(qū)分開的倍增區(qū)，所述倍增區(qū)包括存在電場的本征半導體區(qū)，以倍增在所述吸收區(qū)中產(chǎn)生的電子。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，入射到所述第一類型半導體區(qū)上的波長在第一波長范圍以外并且在第二波長范圍以內的光穿過所述第一類型半導體材料，進入所述第二類型半導體材料并且被吸收。
3.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述倍增區(qū)的本征半導體區(qū)布置在第一和第二摻雜區(qū)之間。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括緊鄰吸收層布置的摻雜接觸層。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述第一類型半導體區(qū)包括硅，第二類型半導體區(qū)包括鍺。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于，吸收區(qū)吸收在第一和第二波長范圍的組合范圍以內的光。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置是光電檢測器，其中光電檢測器是以陣列方式排列的多個光電檢測器中的一個，以共同檢測聚焦在陣列上的圖像。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括緊鄰所述倍增區(qū)布置的反射層，其中倍增區(qū)布置在吸收區(qū)與反射層之間，由此在反射層與光入射的裝置表面之間限定包括吸收區(qū)和倍增的諧振腔。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述反射層包括絕緣體上硅(SOI)晶片的埋置氧化物層。
10.根據(jù)權利要求4所述的裝置，其特征在于，還包括限定在吸收區(qū)中的緊鄰摻雜接觸層的護圈。
11.一種方法，包括引導光束進入包括第一類型半導體區(qū)的吸收區(qū)；在第一類型半導體區(qū)中吸收在第一波長范圍中的光的第一部分；通過在第一波長范圍以外并且在第二波長范圍以內的光的第二部分；在吸收區(qū)的第二類型半導體區(qū)中吸收光的第二部分；以及有選擇地倍增在吸收區(qū)中產(chǎn)生的漂移進入緊鄰吸收區(qū)限定的倍增區(qū)中的電子。
12.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括加速在吸收區(qū)中產(chǎn)生的漂移進入倍增區(qū)的電子，以響應倍增區(qū)中的高電場。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，選擇性地倍增在吸收區(qū)中產(chǎn)生的漂移進入倍增區(qū)的電子，以響應在倍增區(qū)中的碰撞電離。
14.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，選擇電子以倍增倍增區(qū)，從而響應包括具有小于大約0.05的k因數(shù)值的硅的倍增區(qū)。
15.根據(jù)權利要求11所述的方法，其特征在于，還包括在限定包括吸收區(qū)和倍增區(qū)的諧振腔的反射面之間反射光。
16.一種系統(tǒng)，包括光電檢測器陣列，光電檢測器中的每一個包括包括緊鄰第二類型半導體區(qū)的第一類型半導體區(qū)的吸收區(qū)，第一類型半導體吸收在第一波長范圍內的光，第二類型半導體吸收在第二波長范圍內的光；以及被限定以緊鄰吸收區(qū)并且與吸收區(qū)分開的倍增區(qū)，所述倍增區(qū)包括存在電場的本征半導體區(qū)，以倍增在吸收區(qū)中產(chǎn)生的電子；以及光聚焦元件，以將光學圖像聚焦到光電檢測器陣列上。
17.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述光聚焦元件包括透鏡。
18.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，第一類型半導體區(qū)包括硅，第二類型半導體區(qū)包括鍺。
19.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，在每個光電檢測器中的倍增區(qū)的本征半導體區(qū)布置在第一和第二摻雜區(qū)之間。
20.根據(jù)權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征在于，每個光電檢測器還包括包含吸收區(qū)和倍增區(qū)的諧振腔。
全文摘要
公開了基于半導體波導的光接收機。根據(jù)本發(fā)明方案的裝置包括包含緊鄰第二類型半導體區(qū)的第一類型半導體區(qū)的吸收區(qū)。第一類型半導體吸收在第一波長范圍中的光，第二類型半導體吸收在第二波長范圍中的光。限定倍增區(qū)以緊鄰吸收區(qū)并與吸收區(qū)分開。倍增區(qū)包括存在電場的本征半導體區(qū)，以倍增在吸收區(qū)中產(chǎn)生的電子。
文檔編號H01L27/146GK1905216SQ20061015134
公開日2007年1月31日 申請日期2006年6月28日 優(yōu)先權日2005年6月28日
發(fā)明者M·摩斯, O·多森姆, M·潘尼卡, A·劉 申請人:英特爾公司