專利名稱：一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備的制作方法
一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于光學(xué)設(shè)備領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備。
背景技術(shù)：
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(shù)的需要不斷增加。在密集波分復(fù)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(xué)元件包括波分復(fù)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(dǎo)光柵、光學(xué)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(zhuǎn)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(yīng)用處理電信號。發(fā)明內(nèi)容
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(lǐng)域的普通技術(shù)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(jié)合實施例進行描述的特定的特征、結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(lǐng)域的普通技術(shù)人員是用于說明目的，并且附圖不一定是按比例繪制的。


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(biāo)號指的是全部圖中相同的部分，除非另作說明。
圖IA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IB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(yīng)率對波長的關(guān)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。
具體實施方式
圖IA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(xué)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(dǎo)體(CMOS)傳感器陣列等。
圖IB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IB中所示的例子示出了在光照117內(nèi)使用陣列101 的像素的對象116的圖像118。
注意，雖然圖IA和IB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(yīng)用，但是在其它類型的應(yīng)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(xué)元件131可以是透鏡或其它類型的折射或衍射光學(xué)元件，由此將具有光照1 17的圖像聚焦在陣列101上。對于本發(fā)明的實施例，光照1 17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IA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(dǎo)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 1 15連接在一起。對于一個實施例，層105是具有例如kl9cm-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(dǎo)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(dǎo)體材料層113。如說明的例子所示，層113布置在ρ-摻雜硅層111與η+參雜硅層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Hel7cm3的摻雜濃度。對于一個實施例，層115具有例如5el9CnT3的摻雜濃度。在所示的例子中，多個雪崩光電檢測器103Α、103Β···，、103Ν中的每一個連接在地與電壓VI、V2、…、V。之間，由此偏置每個雪崩光電檢測器在層105與 1 15之間如圖所示產(chǎn)生電場。
當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)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1 17入射到多個雪崩光電檢測器103Α、103Β、…、103Ν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1 1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納米到大約一 1100納米范圍內(nèi)的光。波長大于大約一1100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(yīng)率對波長關(guān)系的例子的圖201。特別地，圖201示出了硅的響應(yīng)率相對于波長的曲線207，以及鍺的響應(yīng)率相對于波長的曲線209，對于一個實施例，曲線207可以對應(yīng)于圖IA的本征硅層107的響應(yīng)率， 而曲線209可以對應(yīng)于圖IA的本征鍺的響應(yīng)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(yīng)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(fù)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1 17。在半導(dǎo)體層107和109中光照117的光吸收導(dǎo)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(dǎo)致在吸收區(qū)135中產(chǎn)生的電子空穴對的空穴向?qū)?05的方向漂去，而電子向?qū)? 15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ρ-摻雜硅和在層1 15中的η+參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(jié)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1 13中的本征硅以及分別在相鄰ρ_摻雜和η+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αηΡ)，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cffim對光電倍增增益M之間的關(guān)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(guān)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(guān)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IA和IB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?qū)崿F(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(jié)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(guān)系的公式為 FA (M)=kM+(l-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?qū)崿F(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娃，導(dǎo)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(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的啟示，雪崩光電檢測器403與圖IA和IB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(cè)上布置在層407的表面和內(nèi)部的護圈421，如圖4A所示。對于…個實施例，層405和護圈421是具有一摻雜濃度的ρ+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4Α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(jié)構(gòu)內(nèi)的電場，護圈 43 1有助于減小雪崩光電檢測器403結(jié)構(gòu)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ρ摻雜硅層411與η+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41 1具有例如Hel7Cm_3的摻雜濃度，層415具有例如kl9cm. 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(dǎo)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(dǎo)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(jié)果。對于一個實施
6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(jié)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(dāng)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ρ+摻雜層405與η+摻雜層 415之間具有電場，電子427從吸收區(qū)43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(dǎo)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似9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4Β中說明為S102，并且穿過雪崩光電檢測器 403來回循環(huán)，如圖所示。結(jié)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(nèi)反復(fù)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(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的，各種等價的改良和改進是可能的。的確，應(yīng)當(dāng)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(dǎo)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(quán)利要求書中使用的術(shù)語不應(yīng)該視為將本發(fā)明限定于在說明書和權(quán)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(quán)利要求書闡明的原理建立的權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備，其特征在于包括緊鄰第二類型半導(dǎo)體區(qū)的第一類型半導(dǎo)體區(qū)的吸收區(qū)，所述第一類型半導(dǎo)體吸收在第一波長范圍內(nèi)的光，所述第二類型半導(dǎo)體吸收在第二波長范圍內(nèi)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(dǎo)體區(qū)，以倍增在所述吸收區(qū)中產(chǎn)生的電子；第一類型半導(dǎo)體區(qū)包括硅，第二類型半導(dǎo)體區(qū)包括鍺；具有的反射層包括絕緣體上硅晶片的埋置氧化物層；具有限定在吸收區(qū)中的緊鄰摻雜接觸層的護圈；具有的光聚焦元件包括透鏡；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。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備，其特征在于(1)入射到所述第一類型半導(dǎo)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(nèi)的光穿過所述第一類型半導(dǎo)體材料，進入所述第二類型半導(dǎo)體材料并且被吸收；(2)倍增區(qū)的本征半導(dǎo)體區(qū)布置在第一和第二摻雜區(qū)之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備，其特征在于，還包括緊鄰吸收層布置的摻雜接觸層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備，其特征在于，所述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。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新式鍺/硅雪崩光電檢測器設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明方案的裝置包括包含緊鄰第二類型半導(dǎo)體區(qū)的第一類型半導(dǎo)體區(qū)的吸收區(qū)。第一類型半導(dǎo)體吸收在第一波長范圍中的光，第二類型半導(dǎo)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(dǎo)體區(qū)，以倍增在吸收區(qū)中產(chǎn)生的電子。
文檔編號H01L31/107GK102479866SQ20101055305
公開日2012年5月30日 申請日期2010年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月22日
發(fā)明者欒曉健 申請人:大連兆陽軟件科技有限公司