CN100589001C - 半导体装置和光检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体装置，其包括设置在半导体区域内且在绝缘层上的光波导、以及设置在该光波导处的多个光检测器。所述多个光检测器包括栅绝缘场效应晶体管。所述多个光检测器以不同时序捕获数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种能容易地检测高频光的半导体装置，且涉及一种光检测方法。
背景技术
在相关技术中，光检测器(photodetector)通过累积金属氧化物半导体(MOS)晶体管的体(body)中的双光子吸收(two photon absorption，TPA)产生的载流子且检测所累积的量来确定光的存在。在这样的光检测器中，光检测基本通过将器件在三种模式之间切换来实施，该三种模式为数据删除模式、数据捕获模式和数据检测模式(参考Tetsuo Nozawa的“Kyoutainai nishintou hajimeru hikari-densou-ruuta ya keitai-denwaki ga senkou”，NikkeiElectronics，第59-70页和图11，2005年6月6日)。由于该原因，如果待检测的光信号的频率高于器件的三种模式的重复周期，则存在发生数据缺失的高风险。
发明内容
如上所述，相关技术中存在的问题是，当待检测的光信号的频率高于器件的三种模式的重复周期时，例如会发生数据缺失，该三种模式为数据删除模式、数据捕获模式和数据检测模式。
期望获得检测具有比器件的三种模式的重复周期更高的频率的光信号的能力，该三种模式即数据删除模式、数据捕获模式和数据检测模式。
根据本发明一实施例，提供一种半导体装置，其包括：光波导，设置在半导体区域内且在绝缘层上；以及设置在半导体区域中在光波导之上的多个光检测器。所述多个光检测器包括栅绝缘场效应晶体管，且该光检测器以不同时序捕获数据。
因此，该半导体装置配置有多个光检测器，该光检测器以不同时序捕获数据。通过比较光检测器的输出以确定是否存在捕获数据的时序的时间差，可以实施通过光波导传播的光的检测。
根据本发明另一实施例，提供一种光检测方法，其使用一半导体装置进行，该半导体装置包括设置在半导体区域内且在绝缘层之上的光波导、以及设置在该半导体区域内在该光波导上的多个光检测器，该多个光检测器包括栅绝缘场效应晶体管。该方法包括步骤：将每个光检测器在三种模式之间以顺序方式切换，所述三种模式包括数据删除模式、数据捕获模式和数据检测模式；以及通过允许光检测器在数据捕获模式中以不同时序捕获数据且比较光检测器的数据以基于是否存在捕获数据的时序的时间差来检测光，从而检测通过光波导传播的光。
在该光检测方法中，光检测器以不同时序捕获数据，比较光检测器的输出以确定是否存在捕获数据的时序的时间差。基于时序的时间差的确定，实施通过光波导传播的光的检测。因此，具有比器件的前述三种模式的重复周期更高的频率的光信号能有利地被检测，这在相关技术中是不可能的。
因此，与相关技术对照，根据本发明实施例的半导体装置具有这样的能力，即检测具有比器件的前述三种模式的重复周期更高的频率的光信号，由此有利地实现例如光通讯中的高速光传播。
类似地，与相关技术对照，根据本发明实施例的光检测方法允许具有比器件的前述三种模式的重复周期更高的频率光信号的检测，由此有利地实现例如光通讯中的高速光传播。
附图说明
图1是根据本发明第一实施例的半导体装置的示意性透视图；
图2是根据本发明第一实施例的半导体装置的沿光检测器的栅长度方向观察的剖视图；
图3是包括在根据本发明第一实施例的半导体装置中的光波导的剖视图；
图4是时序图，示出根据本发明第一实施例的光检测方法；
图5是另一时序图，示出根据本发明第一实施例的光检测方法；
图6是另一时序图，示出根据本发明第一实施例的光检测方法；
图7是时序图，示出输入到光检测器的端子的电压的波形；
图8是根据本发明第二实施例的半导体装置的示意性透视图；以及
图9是时序图，示出根据本发明第二实施例的光检测方法。
具体实施方式
现在将参照图1、2和3描述根据本发明第一实施例的半导体装置1。图1是半导体装置1的示意性透视图。图2是沿光检测器的栅长度方向观察的剖视图。图3是光波导的剖视图。
参考图1至3，半导体装置1包括半导体衬底11、设置在半导体衬底11上的第一绝缘层12、设置在第一绝缘层12上并具有用作光波导21的第一区域和第二区域的第一半导体层13、设置在第一半导体层13上的第二绝缘层14、以及设置在第二绝缘层14上的第二半导体层15。具体地，赋予第一半导体层13的第一区域比第二区域更大的厚度。半导体衬底11例如是硅衬底。第一绝缘层12和第二绝缘层14由能捕获第一半导体层13中的光的材料构成，第一半导体层13置于第一绝缘层12和第二绝缘层14之间从而光能通过第一半导体层13传播。上述材料的示例是硅氧化物膜。第一绝缘层12在邻近第一半导体层13一侧具有平坦表面。第二绝缘层14朝向第二半导体层15部分凹陷，使得第一半导体层13的用作光波导21的第一区域可具有大的厚度。第一半导体层13和第二半导体层15都是硅层。
虽然图中未示出，作为第一绝缘层12、第一半导体层13和第二绝缘层14的上述构造的替代，第一绝缘层12可朝向半导体衬底11凹陷，使得第一半导体层13的用作光波导21的第一区域具有大的厚度。在该情况下，第二绝缘层14可以在邻近第一半导体层13一侧具有平坦表面。
具体地，半导体衬底11、第一半导体层13和第二半导体层15构成半导体区域16。第一半导体层13和第二半导体层15首先形成为单个半导体层，由硅氧化物构成的第二绝缘层14随后利用例如注入氧分隔(separation-by-implanted-oxygen，STMOX)技术通过氧离子注入形成。光波导21是脊型光波导。
光波导21上的半导体区域16(即第二半导体层15)设置有多个光检测器31，即光检测器31A和31B。虽然在第一实施例中设置两个光检测器31A和31B，但是可以设置三个光检测器31，如下面在本发明的第二实施例中将描述的那样，或者可以设置四个或更多光检测器31。提高光检测器31的数量可提高分辨率。光检测器31A和31B由栅绝缘场效应晶体管定义，例如负-正-负(npn)金属-绝缘体-半导体(MIS)晶体管。设置栅绝缘场效应晶体管使得其栅极长度方向与箭头所示的光通过光波导21的传播方向直交。每个栅绝缘场效应晶体管具有接收栅极电压VG的栅极、接收漏极电压VD的漏极、以及接地的源极。
光检测器31的光检测依赖于构成光检测器31的栅绝缘场效应晶体管的体(body)存在处的孔的数量。因此，在形成光波导21的第一半导体层13中，优选存在电子迁移率与空穴迁移率之间的差异。例如，该差异是电子迁移率优选为空穴迁移率的约两倍或更多。例如，如果浓度(density)为1×1018原子/cm3，电子迁移率是252cm2/V·s，空穴迁移率是178cm2/V·s。在这种情况下，电子迁移率约是空穴迁移率的1.5倍。该浓度可允许的，因为在该浓度下光检测是可行的。如果浓度是1×1017原子/cm3，电子迁移率是675cm2/V·s，空穴迁移率是331.5cm2/V·s。在这种情况下，电子迁移率约是空穴迁移率的两倍或更多。因此，浓度优选设置为1×1017原子/cm3或更低。此外，优选光的传播损失是低的值，例如约1dB/cm至2dB/cm的损失。考虑到这些点，第一实施例中浓度设置为1012原子/cm3。另一方面，如果浓度是1×1018原子/cm3或更高，则电子迁移率与空穴迁移率之间的差异变小。如果浓度为2×1020原子/cm3，电子迁移率为52.0cm2/V·s，空穴迁移率是50.8cm2/V·s在这种情况下，电子迁移率与空穴迁移率之间几乎没有差异。在这种状态下，光检测是困难的。
减小构成各光检测器31的栅绝缘场效应晶体管的栅极长度提高了响应速度。并且，减少各光检测器31的面积增大了通过光检测器31的载流子的载流子浓度，由此允许更高的检测能力。
半导体装置1配备有多个光检测器31，光检测器31以不同时序(timing)捕获数据。然后，通过比较光检测器31的输出以确定是否存在捕获数据的时序中的时间差，可以实施通过光波导21传播的光的检测。更具体地，半导体装置1累积光检测器31的栅绝缘场效应晶体管的体中的双光子吸收(TPA)产生的载流子，并检测累积的量以确定光的存在。因此，与相关技术对照，半导体装置1实现了检测具有比检测器件的三种模式的重复周期更高的频率的光信号的能力，该三种模式即数据删除模式、数据捕获模式、以及数据检测模式，由此有利地实现了例如光通讯中更高速度的光传播。
现在将参照图4至6所示的时序图描述根据本发明第一实施例的光检测方法。首先，将描述待检测数据的频率短于各检测器件的三种模式中的数据捕获时序的情况下采用的数据检测方法，该三种模式即数据删除模式、数据捕获模式、以及数据检测模式。
在第一实施例中，关于图4的部分(1)所示的数据，图4的部分(2)所示的光检测器(31)31A具有检测能力的时序和图4的部分(3)所示的光检测器31(31B)具有检测能力的时序相对于彼此改变，从而比数据捕获时序更短的信号能被接收。具体地，参考图5，由于光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的数据捕获时序，即具有检测能力的时序，被不同地设置，所以待由光检测器31(31A)和光检测器31(31B)捕获的数据可以彼此不同。例如，关于图5的部分(1)所示的数据，光检测器31(31A)检测图5的部分(2)所示的阴影部分表示的数据。另一方面，光检测器31(31B)检测图5的部分(3)所示的阴影部分表示的数据。
因此，参考图6，通过比较光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的输出，可以确认数据存在于与光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的数据捕获时序的时序差对应的阴影部分中。
尽管未示出，如果不存在光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的输出的差异，则可确认数据不存在于与光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的数据捕获时序的时序差对应的部分中。
下面将参照图7所示的时序图描述输入到光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的端子的电压的波形的示例。图7包括示出光检测器31(31A)的驱动波形的部分(1)、以及示出光检测器31(31B)的驱动波形的部分(2)，且示出其中数据捕获时序改变的特定示例。在图7中，“VG”表示栅极电压，“VD”表示漏极电压。
如图7所示，光检测器31(31A)和光检测器31(31B)的每个的操作都包括三个步骤，即清除步骤、捕获步骤和检测步骤。每个光检测器31具有这样的潜能，即具有比一值更大或与其相等的操作频率，该值比光检测器31的响应频率低一个数位。因此，如果构成光检测器31的栅绝缘场效应晶体管具有约10GHz的操作频率性能，则在GHz水平的操作频率是可行的。
将参考图8和9描述根据本发明第二实施例的半导体装置2。图8是半导体装置2的示意性透视图，图9是时序图。
在第二实施例中，将描述待检测的数据的频率稍微短于各光检测器的包括三种模式的一个循环的时间周期的情况下采用的数据检测方法，该三种模式即数据删除模式、数据捕获模式、以及数据检测模式。
参考图8，半导体装置2包括半导体衬底11、设置在半导体衬底11上的第一绝缘层12、设置在第一绝缘层12上并具有用作光波导21的第一区域和第二区域的第一半导体层13、设置在第一半导体层13上的第二绝缘层14、以及设置在第二绝缘层14上的第二半导体层15。具体地，赋予第一半导体层13的第一区域比第二区域更大的厚度。半导体衬底11例如是硅衬底。第一绝缘层12和第二绝缘层14由能捕获第一半导体层13中的光的材料构成，第一半导体层13置于第一绝缘层12和第二绝缘层14之间从而光能够通过第一半导体层13传播。上述材料的示例是硅氧化物膜。第一绝缘层12在邻近第一半导体层13一侧具有平坦表面。第二绝缘层14朝向第二半导体层15部分凹陷，使得第一半导体层13的用作光波导21的第一区域可具有大的厚度。第一半导体层13和第二半导体层15都是硅层。
虽然图中未示出，作为第一绝缘层12、第一半导体层13和第二绝缘层14的上述构造的替代，第一绝缘层12可朝向半导体衬底11凹陷，使得第一半导体层13的用作光波导21的第一区域具有大的厚度。在该情况下，第二绝缘层14可以在邻近第一半导体层13一侧具有平坦表面。
具体地，半导体衬底11、第一半导体层13和第二半导体层15构成半导体区域16。第一半导体层13和第二半导体层15首先形成为单个半导体层，由硅氧化物构成的第二绝缘层14随后利用例如STMOX技术通过氧离子注入形成。光波导21是脊型光波导。
光波导21上的半导体区域16(即第二半导体层15)设置有多个光检测器31，即光检测器31A、31B和31C。光检测器31A、31B和31C由栅绝缘场效应晶体管定义，例如npn MIS晶体管。设置栅绝缘场效应晶体管使得其栅极长度方向与箭头所示的光通过光波导21的传播方向直交。每个栅绝缘场效应晶体管具有接收栅极电压VG的栅极、接收漏极电压VD的漏极、以及接地的源极。
半导体装置2配备有多个(三个)光检测器31，光检测器31以不同时序(timing)捕获数据。然后，通过比较光检测器31的输出以确定是否存在捕获数据的时序的时间差，可以实施通过光波导21传播的光的检测。更具体地，半导体装置2累积光检测器31的栅绝缘场效应晶体管的体中双光子吸收(TPA)产生的载流子，并检测累积的量以确定光的存在。因此，与相关技术对照，半导体装置2实现了检测具有比检测器件的三种模式的重复周期更高的频率的光信号的能力，该三种模式即数据删除模式、数据捕获模式、以及数据检测模式，由此有利地实现了例如光通讯中更高速度的光传播。
现在将参照图9所示的时序图描述根据本发明第二实施例的光检测方法。
参考图9，在第二实施例中，光检测器31A、31B和31C一起在一个循环的整个周期上具有检测能力。在该示例中，每个光检测器31在一个循环的三分之一上具有检测能力。具体地，光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)以不同时序捕获数据，即具有不同的可检测时序，由此如第一实施例中那样，将被光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)捕获的数据能彼此不同。
因此，通过比较光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)的输出，如果光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)的输出存在不同，则可以确认数据存在于与数据捕获时序的时间差对应的部分中。
另一方面，如果光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)的输出不存在差异，则可以确认数据不存在于与光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)的数据捕获时序的时间差对应的部分中。
此外，由于在第二实施例中光检测器31(31A)、光检测器31(31B)和光检测器31(31C)的数据捕获时序覆盖一个循环的整个时间周期，所以可以防止数据缺失。
在本发明的上述实施例中，每个光检测器31可具有约1-20微米的长度，光检测器31可彼此分隔开隔离所需的距离以维持信号的独立性(independency)。这样的距离可以是数微米或更小。关于光通过光波导21的传播速度，假定光波导21的有效折射率约为3，基于1×10-9sec即1nsec(其是1GHz的信号时钟)的传播距离约为33cm。因此，光的传播时间是可忽略的，即使器件相对于光波导21设置在上述位置。
本领域技术人员应理解，可根据设计要求和其他因素进行各种修改、组合、子组合以及替换，只要他们在所附权利要求及其等价物的范围内。
本申请包含与2006年10月6日向日本专利局提交的日本专利申请JP2006-274751相关的主题，在此引入其全部内容作为参考。
Claims (6)
1.一种半导体装置，包括：
光波导，设置在绝缘层之上的半导体区域内；以及
多个光检测器，设置于该光波导处，
其中所述多个光检测器包括栅绝缘场效应晶体管，且
其中所述多个光检测器以不同时序捕获数据。
2.根据权利要求1所述的半导体装置，其中该栅绝缘场效应晶体管设置在通过该光波导传播的光的电场延伸到的该半导体区域中。
3.根据权利要求1所述的半导体装置，其中该绝缘层包括设置在半导体衬底上的第一绝缘层，
其中该半导体区域包括通过第二绝缘层彼此分隔开的第一半导体层和第二半导体层，且
其中该光波导由该第一半导体层的厚区域形成，该第一半导体层的该厚区域通过使该第一绝缘层朝向该半导体衬底凹陷或者使该第二绝缘层朝向该第二半导体层凹陷而形成。
4.根据权利要求1所述的半导体装置，其中该栅绝缘场效应晶体管包括负沟道金属-绝缘体-半导体晶体管。
5.根据权利要求1所述的半导体装置，其中设置每个该栅绝缘场效应晶体管使得其栅极长度方向与光通过该光波导的传播方向直交。
6.一种光检测方法，利用一种半导体装置进行，该半导体装置包括设置在绝缘层上的半导体区域内的光波导、以及设置在该半导体区域中在该光波导上的多个光检测器，所述多个光检测器包括栅绝缘场效应晶体管，该方法包括步骤：
使每个光检测器以顺序方式在三种模式之间切换，所述三种模式包括数据删除模式、数据捕获模式、以及数据检测模式；以及
通过允许所述多个光检测器在该数据捕获模式中以不同时序捕获数据且比较该光检测器的输出以基于是否存在捕获数据的时序的时间差来检测光，从而检测通过该光波导传播的光。
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