CN101088168A - 硅上锗中的光电探测器 - Google Patents

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CN101088168A CNA2004800446939A CN200480044693A CN101088168A CN 101088168 A CN101088168 A CN 101088168A CN A2004800446939 A CNA2004800446939 A CN A2004800446939A CN 200480044693 A CN200480044693 A CN 200480044693A CN 101088168 A CN101088168 A CN 101088168A
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洛任佐·柯莱斯
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Abstract

本发明提供一种光电探测器结构(1、1′、1″)，包括：硅基波导(2)，其中待探测的光信号在给定方向(X)上传输，并被限制在其中；和锗层(4)，设置成与所述硅基波导(2)的一部分接触，使得在所述波导(2)中传输的光信号的逐渐消失的尾部耦合入所述锗层(4)中。此外，所述锗层(4)包括台面(10)，所述台面(10)具有沿信号传输方向(X)的长度(L)和沿基本上垂直于传输方向(X)的方向(Z)的宽度(W)，其中所述台面(10)的宽度(W)小于它的长度(L)。所述光电探测器(1、1′、1″)还包括第一(7)和第二金属接触件(9a、9b)，所述第一金属接触件(7)位于所述锗层(4)上，而所述第二金属接触件(9a、9b)位于所述硅基波导(2)上，所述第一和第二接触件用于收集由光吸收产生的电子以获得输出电信号。

Description

硅上锗中的光电探测器
技术领域
本发明涉及一种在硅上锗中实现的光电探测器，特别是涉及一种用于近红外应用的光电探测器。所选择的光电探测器的几何形状允许实现整个设备的良好的响应度和出色的速度。
背景技术
基于光纤的光通信的引入引起长距离远程通信的显著增长：固有的低成本、光纤的宽带宽和弱衰减是胜过铜线的关键因素。然而在短距离接入网络中，光纤质量被光收发器当前的高成本所取代。这些组件通常是III-V族设备例如激光器、调制器、光电二极管和波导混合装配。
为了取得成功，收发器的制造需要新的方法。其中，由于其潜在的低成本、可量测性和可靠性以及与成熟且卓越的硅VLSI技术的结合，硅基光电技术引人注目。
此外，在光远程通信中，近红外(NIR)区域中的光探测尤为重要，特别是当涉及高比特率和低功率水平时。因此，采用NIR探测器就变得至关重要，该NIR探测器不仅在所关心的光谱范围内表现出良好的敏感性和速度，而且还可以与驱动/偏置和放大电路紧密互连。由于电信号处理最常用的平台基于硅，因此在过去的二十年间已经将在标准硅平台上结合NIR光电二极管发展为低成本和高效的解决方案，以满足不断增长的对用于光信号处理的小型半导体微型系统的需求。
已经有人提出了若干方法，例如III-V族基设备(硅光学平台SIOB)在硅上的混合集成或InGaAs在硅上的单片集成。
硅-锗(SiGe)已经被认为是InGaAs的有前途的替代，因为它在NIR中具有大的吸收系数并具有良好的载体传输特性。但是，由于它的相对晶格失配，SiGe的外延需要使用适当的缓冲层或可能阻碍与CMOS Si电子技术无缝集成的其它技术。不过，迄今已经报导有许多成功的尝试。
在由B.Jalali撰写并在1994年6月的Journal of LightwaveTechnology，第12卷，n°6，930-935页中发表的“Si-based Receiversfor Optical Data Link”中，公开了一种利用快速热化学气相沉积而生长的GexSi1-x波导针探测器。典型的设备结构包括GexSi1-x/Si多量子阱吸收层、大约1μm厚的Si披覆层以及n+和p+接触层。
设计可以与标准半导体技术结合的NIR光电探测器的最引人注目的尝试之一是基于多晶锗，这主要因为它在设备制造中需要低的热预算。在保证与标准Si处理具有良好的兼容性的低温下沉积多晶膜。所沉积的膜表现出与单晶锗相似的吸收光谱，但是迁移率和寿命都降低。
在由G.Masini等人撰写并在2002年5月的Applied PhysicsLetters，第80卷，n°18，3268-3270页中发表的“Monolithicintegration of near-infrared Ge photodetectors with Sicomplementary metal-oxide-semiconductor readout electronics”中，报导了在Si互补型金属氧化物半导体(CMOS)电子设备上的近红外Ge光电二极管阵列的单片集成。用标准的超大规模集成硅技术实现的芯片，容纳8个用于从8个像素中选择出一个像素的CMOS开关。将由所选择的感光性像素产生的光电流供给具有外部反馈电阻R的跨阻抗放大器。输出是对应于线性阵列中的被询问的探测器处的光强的电压。后者包括8个多Ge/Si异质结光电二极管，它们中的每一个在汽化的多Ge和在Si衬底中暴露的n阱之间形成。Si区域连接至金属焊盘。此外，将银汽化并以细指的形状通过光刻限定在多Ge的中央部分上，以降低串联电阻。
在由G.Masini等人撰写并在2003年4月的Applied PhysicsLetters，第82卷，n°15中发表的“2.5Gbit/s polycrystallinegermanium-on-silicon photodetector operating from 1.3 to 1.55μm”中，描述了近红外的快速硅上多晶锗异质结光电探测器。该硅上多晶锗光电二极管通过在温度保持在300℃的硅n型衬底上对锗进行热汽化来制造。所生成的Ge膜的厚度为120nm。在沉积之后，探测器区域的尺寸由方形台面200×200μm2的湿法刻蚀所限定。Ag接触件的沉积和光刻限定完成该制造。通过在所关心的波长处透明的衬底将光耦合至有源探测器区域。因此，该设备为通常的入射探测而制造，并且该设备表现出16mA/W的1.3μm响应度、低于2mA/cm2的暗电流和高于2.5Gbit/s的运行速度。
申请人将该设备的低响应度归因于小的有源区域(即损耗层加上一个扩散长度)，与多晶锗所特有的大的类接收器缺陷密度相关联，在硅上锗中一般可以是50nm。申请人认为，在波导几何形状中可以预期响应度的增加，其中吸收效率取决于探测器长度，而非有源层的厚度(例如在常规的入射探测器中)。
在由G.Masini等人撰写并在2001年的Optical Materials 17，243-246页中发表的“Near-infrared waveguide photodetector based onpolycrystalline Ge on silicon-on-insulator substrates”中，阐述了多晶锗光电探测器与波导结构的集成。该方法允许在多晶Ge/Si异质结的薄敏感层中对进入光进行分散的吸收，从而增加了有效吸收长度和效率。选择具有2μm厚的n型硅和1.5μm厚的SiO2绝缘体的键合与回蚀(Bond and Etch-back)绝缘体上硅衬底作为衬底。利用使用99.999％纯度商业来源的热汽化来生长多晶锗膜。将膜的厚度选择为120nm。在常规入射(来自衬底的闪光)处并在波导结构中测量设备的响应度。在两种情况下，都使用在1.3μm处发出5mW的半导体激光器。从试验得出，与常规入射相比，波导结构中已经显示出响应度增加了8倍。
申请人注意到，在此文献中使用了光电二极管的平面波导结构，其中光没有被横向限制。在波导中传播的光信号在不存在限制的波导平面中迅速地发散。由于这样的发散，光强(Watt/cm2)降低，从而有必要增加光电探测器的区域以保持良好的效率。但是，通过增加光电探测器的区域，设备的整体速度会被降低。
在Prakash Gothoskar等人的美国专利申请n.2004/0188794中，公开了一种与在绝缘体上硅结构中形成的相对薄(即亚微型)的硅光波导一起使用的光电探测器。该光电探测器包括多锗层，设置成耦合沿硅光波导传播的光信号的至少一部分。该硅光波导可以包括任意期望的几何形状，同时形成多锗探测器以覆盖波导的一部分，或者对接耦合至波导的末端部分。
申请人注意到，在所引用的专利申请的所有实施例中，电接触件形成在探测器的相对端，即它们都与多锗层接触。此外，多锗层包括具有p掺杂多锗层、固有掺杂层和n掺杂层的p-i-n结构。申请人已经发现难以实现多晶锗中的p-i-n结构，尤其是利用采用相对低温的沉积技术。为了保持与标准硅CMOS技术的兼容性，需要相对低的沉积温度，即不大于350-400℃。
发明内容
本发明关于一种波导光电探测器结构，包括锗层，优选地是沉积在硅衬底上的多晶锗层(下面简称为“多Ge”层)。特别是，所选择的光电探测器的几何形状使得重点为其响应速度和其响应度的设备性能被优化。
本发明的光电探测器包括多Ge层和硅层之间的异质结。优选地，该异质结是p型多Ge层和n型硅层之间的p-n结。靠近所述p-n结，电子扩散以与空穴结合，产生所谓的“损耗层”。存在p-n结的表面(即对应于所述损耗层的区域)被称为光电探测器结构的“有源区”。
申请人已经注意到，常规入射探测中的多Ge光电探测器的主要缺点之一是多Ge异质结的有源层的较小厚度，例如针对被汽化的多Ge大约为50nm。不管多Ge层的总厚度如何，这样小的厚度在常规入射探测中将设备的响应度限制为一定(小的)值。使用术语“常规入射探测”意味着将被探测的光以基本上垂直于由异质结限定的平面(即由形成结的两个不同材料之间的边界限定的平面)入射。
为了克服上述问题，在本发明中采用波导几何形状。在“波导几何形状”中，待探测的光信号在可以具有任意优选的几何形状的波导中传播，并被垂直地限制在其中。波导的尺寸使得在波导中传播的光模式具有延伸出波导层的逐渐消失的尾部，从而模式自身对最终位于波导的表面上的附加层的出现敏感。
上述多Ge层被直接沉积在波导上，该波导是硅基波导，以便形成前述的p-n结：当信号沿波导传播时，它被耦合并接着被吸收入多Ge层，产生电子-空穴对。虽然在硅上直接沉积多Ge更为优选，但是不排除在多Ge层和Si波导之间存在缓冲层。例如，在光电探测器结构中可以包括与Si波导略微不同地掺杂的Si缓冲层。
因此，具有“波导几何形状”的光电探测器结构意味着待探测的光信号基本上沿着多Ge与波导之间的交界(即p-n结)的相同方向传播，并且，在光电探测器的有源区与在波导中传播的模式的导模分布之间的重叠区域中，沿着光传播路径发生光吸收。即，光传输基本上垂直于光生成的载体流的方向。
这样，光在传播过程中以分散的方式被吸收入多Ge/Si异质结的薄的敏感层中。这解除了设备厚度大于1/α(其中α是吸收系数)、以便使吸收效率最大化的严格限制。
锗的键合缝隙保证了近红外(NIR)光的有效吸收。因此本发明的光电探测器结构优选地用于NIR光探测。
此外，对于信号沿光纤/波导传输的远程通信应用来说，使用用于光耦入的波导是引人注目的。
根据本发明，光电探测器结构具有特殊的多Ge层几何形状，从而将光信号垂直地和横向地限制在其中。具体地讲，光电探测器包括肋结构，即多Ge层包括台面结构(下面简称为“台面”)，其具有给定长度L、宽度W和厚度T，其中W＜L。请注意，在该上下文中，具有台面结构或台面并不一定指多Ge的平面的顶面(虽然这是优选的)。例如，可以想象肋形或脊形的多Ge层。
该台面与波导表面接触，优选地是其顶面，并且区域W×L限定光电探测器的有源区，即将光吸收进去的区域。台面布置成使得长度L是沿波导中的信号传输方向的长度，而W是在基本上垂直于L的方向上的台面的宽度。吸收区域中的光被垂直地和横向地限制。特别地，光垂直地被比底层具有更高折射率的平面波导限制，而横向导向利用对应于多Ge台面(即基本上对应于台面的宽度W)的横向区域的更高折射率获得。二维限制保证了高光强(Watt/cm2)，并由于减少了结电容而允许更小面积的设备，从而在速度方面受益。在优选实施例中，硅波导形成有绝缘体上硅(SOI)结构的底层。
可以使用根据本发明的指导而制造的适当的金属接触结构来有效地收集由于光吸收而产生的电子-空穴对。
在优选实施例中，以这样的方式选择多Ge层(即台面)的厚度T，即在由于金属顶部接触导致的损耗(其要求多Ge层的厚度的优选下限)和在超过一个扩散长度的Ge区域中存在的损耗(其要求所述层的厚度的优选上限)之间找出适当的折衷。即，大的多Ge厚度增加了被吸收的光量，但是在接触处并未转换为光电流。但是，由于金属接触的存在，因为金属损耗的增加，T不能任意地降低。
一方面，优选地将多Ge层的长度L保持为尽可能地小，以便获得低电容并因此保持带宽。另一方面，优选地，长度L比吸收长度更长，以便获得几乎完全的吸收。在本发明的光电探测器中，多Ge台面的长度的优选范围是10μm≤L≤2000μm，更为优选的是400μm≤L≤1000μm。
优选地，将多Ge层的宽度W保持为相对较低并通常被最小化，以便限制传播模式的数量并使光强最大化。然而，计算显示，由于阴极的金属接触(硅波导上方的金属接触)的损耗对于W＜10μm来说不能被忽略。因此，宽度W优选大于10μm，并取决于接触件自身的形状。
根据本发明，光电探测器包括第一和第二金属接触件，第一金属接触件(阳极)位于多Ge台面上方，而第二金属接触件(阴极)位于台面两侧的硅波导上。
优选地，第一金属接触件的长度等于光电探测器的有源区的长度L。更优选地，第一金属接触件位于台面的顶面上，并相对于台面自身的纵轴对称。
根据本发明的第一优选实施例，第一金属接触件完全覆盖多Ge台面，即它具有长度L和宽度W。如果第一金属接触件相对较宽，则金属损耗可以是适当的。优选地，根据第一实施例，多Ge层的厚度T被包含在100nm≤T≤160nm的范围内，以便减少光电探测器的损耗。此外，根据第一优选实施例的多Ge层的优选宽度W为10μm≤W≤50μm。
优选地，将第一和第二金属接触件之间的距离d最小化，以便将光电探测器的串联电阻最小化。但是，金属接触件相互间在横向上不应该过于接近以至于不能防止寄生电容。优选地，距离为10μm≤d≤20μm。
根据本发明的第二实施例，该实施例仅在第一金属接触件的形状上不同于第一优选实施例，后者包括两个位于多Ge台面顶部的金属条。优选地，第一金属接触件包括这样两个金属条，它们相对于多Ge层对称并且包围该多Ge层。该两个条例如在多Ge顶部上的U形金属结构中彼此连接。
第一和第二条具有宽度w并且优选地相对于台面的纵轴对称地配置。更优选地，两个金属条位于离台面的顶面边缘较小的距离处。
优选地，将两个金属条的宽度w最小化，以便将金属损耗最小化。优选地，宽度为2μm≤w≤10μm。
在第二实施例中由于金属损耗的降低，上述对T′的上限和下限的约束可以大大地削弱，并且在第二实施例中，可以在比第一实施例更宽的值的范围中选择多Ge层的厚度T′，优选地，60nm≤T′≤200nm，更优选地，80nm≤T′≤180nm。
附图说明
通过下面参考附图给出的详细说明，本发明的硅上锗中的光电探测器的进一步的特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1是本发明的光电探测器的第一实施例的示意图；
图2是本发明的光电探测器的第二实施例的示意图；
图3是图1的光电探测器的俯视图；
图4是图2的光电探测器的俯视图；
图5a-5c是图1(5a)、图2(5b)的光电探测器以及本发明的光电探测器的其它实施例的横截面图，示出在波导中传播的模式的模式分布及其与有源层的重叠；
图6是示出针对图1的光电探测器中的多Ge层的W＝10μm所计算的吸收效率(右)和长度(左)相对多晶锗层厚度的图。接触件为铜；
图7是示出针对图2的光电探测器中的多Ge层的W＝30μm所计算的吸收效率(右)和长度(左)相对多晶锗层厚度的图。接触件为铝且宽度w＝5μm；
图8是图1(实线)和图2(虚线)的光电探测器的典型的电流-电压特性的图；
图9是示出图1的光电探测器的针对水平(实线)和垂直(虚线)光偏振的典型的壁插头响应度相对偏置的图；
图10是示出图2的光电探测器的针对水平(实线)和垂直(虚线)光偏振的典型的壁插头响应度相对偏置的图。插图显示在响应度和偏振独立性方面的最佳结果；
图11是示出设备1在1.55μm处对已调制的光输入的光电响应的图；
图12是针对用于接触件的不同金属的波导的金属损耗的图；
图13a和13b是对接耦合有光纤的本发明的光电探测器的两个示意性结构，在图5b的实施例中还包括一个无源波导；
图14示出包括光电探测器、跨阻抗前端和处理电子设备的硅集成电路的示意图；
图15a-15e示出本发明的光电探测器的若干应用的示意图；特别地，图15a是传统的分接结构，图15b是基于波长选择性环形谐振腔的取样，图15c是线中探测/监视，图15d是用于波分复用(WDM)的多分接，图15e是基于光子晶体的WDM分接的选择性改进版本。
具体实施方式
首先参照图5a，1表示根据本发明的指导实现的光电探测器结构。
光电探测器结构1包括硅基波导2，在其中光信号沿着给定的方向X(也是波导的轴)传播并且被限制在其中。
特别地，光信号被垂直地限制在波导中。
术语“硅基”波导是指在硅中实现的波导，优选为n型硅材料。优选地，波导的尺寸使得在其中传播的模式并没有完全地被垂直限制在波导中，而是使模式的逐渐消失的尾部延伸出波导，从而模式可以受波导表面上的附加层的位置所影响。此外，波导几何形状是任意的，即根据光电探测器结构1的最终期望的应用可以选择使用片形、肋形或脊形波导。例如，在图5c所示的光电探测器中使用了一种不同的波导几何形状。
优选地，在层8上形成波导2，层8具有比波导的折射率低的折射率。优选地，层8是SiO2层。更优选地，在衬底3上形成SiO2层8。衬底3、层8和波导2形成绝缘体上硅(SOI)结构，其中优选地衬底3由硅构成而波导(SOI上层)是n掺杂硅。优选地，波导2的厚度范围是2-3μm，以便获得方便的垂直限制和最小损耗(即，为了仅耦合基本的垂直模式并使光耦合更加容易)。
然后在硅基波导2上生长多晶锗层4。合适的技术有热汽化、溅射和化学汽相沉积，由于与硅技术的固有兼容性而使前述两个优选。优选地，在多Ge沉积过程中，将衬底的温度保持在250℃以上(例如大约300-350℃)，以使得所沉积的锗层具有多晶结构。在此情况下，它的吸收光谱与纯(体块)晶体锗非常相似。在多Ge沉积过程中衬底所保持的相对低的温度允许受控沉积，而不影响衬底上已经存在的功能或可能附加的Si电子设备的性能。
虽然下面将详细描述的本发明的优选实施例是指多晶锗，但是具有(单)晶体结构的锗层(即c-Ge或SiGe的晶体层)的光电探测器设备也包括在本发明的范围中。晶体锗或SiGe可以外延地生长在硅上。SiGe可以具有的Ge浓度为几个百分比至100％，优选地不小于50％。然而，如果期望与标准半导体技术具有兼容性，则不优选晶体锗或SiGe，因为它们的制造一般需要相对高的生长温度。
在沉积之后，刻蚀多Ge层4，以获得期望的几何形状。根据本发明，刻蚀多Ge层4，以便形成台面10，该台面10具有在波导中的信号传输方向X上的长度L和在基本上垂直于传输方向但处于同一平面中的方向Z上的宽度W。因此，确定出由L×W给出的“探测器区域”或“有源区域”，在其中发生光吸收。
此外，下面用T来指示多Ge台面10的厚度。
与多Ge层4接触的硅基波导2的结合形成p-n异质结。优选地，多Ge层是p型，而Si波导是n型，但是相反的掺杂也包括在本发明中(即p型Si上n型多Ge)。当采用热汽化用于制造层4时优选p型锗，因为所生长的Ge层无需附加的掺杂步骤(例如通过扩散或离子注入)而成为p型。相反地，利用热汽化和通常利用其它标准生长技术(例如化学汽相沉积)生长的n型Ge层，会需要额外的处理步骤来对该层进行掺杂。
在波导中，沿着光传播路径，在存在多Ge层、特别是台面10的地方发生对传播光信号的吸收。在多Ge/Si界面处形成有源层6(在图5a-5c中示意性地描绘出)：当入射光子到达此区域时，由于波导2中的传播模式的逐渐消失的尾部耦合入多Ge层4，因此它在电子-空穴对中“分裂”。如下所述，通过例如在p-n结处所施加的电场(反向偏置)，垂直于传播模式矢量地收集由光子吸收所产生的电子。
由于光子吸收沿着信号传播路径发生，因此，吸收效率主要取决于探测器长度(即多Ge台面长度L)，而不是有源层的厚度。
根据本发明的第一特征，在波导2中传输的光信号必须横向地和垂直地被限制在多Ge层4中。特别地，将多Ge台面的尺寸选择为使得W＜L。如上所述，二维限制保证了高光强(Watt/cm2)并允许更小面积的设备受益于由于结电容的降低而提高的速度。
光学横向限制可能是由于多Ge台面的几何形状，但是，硅波导2的几何形状也可以影响光学横向限制。示于图5c中并标记为1″的本发明的光电探测器结构的另一实施例中，刻蚀波导2，以便在多Ge台面10的下方形成脊，从而增强横向限制。
优选地，多Ge台面10的长度L的范围是10μm≤L≤2000μm，更优选地是400μm≤L≤1000μm。根据希望的效率和设备速度(在其它之中取决于W、L和台面的厚度T)之间的最佳折衷，选择用于具体应用的优选L。
通过适当地位于光电探测器上的电极或接触件来收集由光吸收产生的电子。
如图1、3和5a所示，在本发明的第一优选实施例中，在多Ge台面10的顶面10a上放置第一金属接触件7。优选地，第一金属接触件7(阳极)包括基本上平行于光信号传输方向X(在图中将X轴示为与台面10的纵轴一致)设置的金属条15。更为优选地，金属条15的长度与多Ge台面10的长度相等。特别是，根据该第一优选实施例，第一金属接触件沿着多Ge层4的顶面10a完全覆盖它，从而限定宽W、长L的金属条。
在硅基波导2的顶部上放置第二金属接触件(阴极)。第一和第二接触件收集由有源区L×W内的光子吸收产生的电子。优选地，第二接触件具有条形形状。更优选地，第二接触件包括两个位于波导2上并且相对于多Ge层4对称的金属条9a、9b，即它们“包围”多Ge台面10并平行于后者放置。两个对称的金属条9a、9b也相互连接。
根据本发明的优选实施例，光电探测器1包括金属焊盘11，以更容易地将第一金属接触件7通过引线接合连接至外部电路(未示出)。更为优选地，从图3可清楚看出，多Ge层4包括多Ge焊盘12，台面10从该多Ge焊盘12突出，并在其上沉积金属焊盘11，使得金属完全覆盖多Ge层4的上表面。在该图中，看不到由接触件7完全覆盖的多Ge层。优选地，多Ge焊盘12(从而金属焊盘11)具有方形并且它的尺寸例如是至少60×60μm2。如果存在金属焊盘11，则由L×W区域加上所述焊盘的区域来给出光电探测器1的有源区。
优选地，将多Ge台面10上方的第一金属接触件7与硅基波导2上方的第二金属接触件9a、9b之间的距离d最小化，以便使光电二极管1的串联电阻最小化，从而提高它的光学带宽。申请人的计算显示，对于范围在10-20μm内的接触件距离来说，串联电阻由第二金属接触件9a、9b的接触电阻所决定。因此，第一和第二金属接触件之间的优选距离为10μm≤d≤20μm。
申请人已经注意到，当涉及光电探测器的响应度，尤其是在图1、5a和3的优选实施例中时，多Ge层4的厚度是相关参数。多Ge层中的有源层的最大厚度为大约50nm。超过此厚度，则被吸收的光会损耗(即它没有对探测起作用)。实际上，远离损耗区域所产生的电子对主要在扩散效应下传播，并且可以再结合，而不增加外部电路(通过接触件7、9a、9b连接至光电探测器)中的电流。这降低了光电探测器1的效率。
相反地，多Ge厚度过小会造成顶部金属接触件7中的损耗增加。因为损耗是由金属中的吸收和超过一个扩散长度的多Ge层中的吸收引起的，因此希望取得平衡。
申请人已经在根据图1、3和5a所示的本发明第一实施例的设备上进行了模拟，其中多Ge台面10具有W＝10μm并且具有比吸收长度长的L。模拟结果示于图6中。左侧坐标代表吸收长度，而右侧坐标代表吸收效率。对于多Ge台面厚度T(为图6的横坐标，厚度单位nm)的每个所选择的值，计算光电探测器1的对应的最大吸收效率并在图6中以点显示。对于相同的T值，计算(在10dB处的)吸收长度(所计算的吸收长度可以视为实现几乎完全的吸收所必要的最小长度)，并将其以方块在前述图中标出。可以清楚地看出，多Ge台面厚度T越小，吸收长度越长(也就是L与T成反比)。
不希望过长的吸收长度，因为设备会变大从而不适合实现小型设备，而这在集成电路技术中尤其需要。优选地也将L保持为较小，以便具有低电容，并因此保持带宽。已经选择建议的优选长度范围400μm≤L≤1000μm，以便能够达到全部吸收(-10dB)和达到10GHz的带宽。
在图6的效率相对T的曲线(其在大约120nm处具有最大值)中可以看出，由上述与多Ge层4顶部上的金属阳极的存在相关的损耗导致的所期望的平衡。
更一般地，在已经选择了效率的优选值或值的范围(其取决于光电探测器的具体应用)之后，可获得多Ge台面的合适的厚度范围。根据该模拟，所选择的多Ge厚度T范围优选地在100nm-160nm之间。
此外，在本发明的第一实施例中，多Ge台面10的宽度W的优选范围为10μm≤W≤50μm。实际上，优选地将W最小化，以限制进入多Ge层4的传播模式的数量并保持高光强。然而，当W＜10μm时金属接触件7中的损耗增加，因此将10μm视为下限。
模拟显示，图1、3和5a的光电探测器1对金属损耗相对敏感。因此，要实现第一和第二接触件，优选地使用低损耗金属。优选金属为Ag或Au。在图12中，针对不同的接触件金属示出由于SiO2衬底3上的硅基波导2上的金属接触件9a、9b的存在而造成的传播损耗。
根据本发明的不同实施例(未示出)，第一金属接触件7可以具有长度为L的金属条的形式，但是其宽度可以比多Ge台面10的宽度W小。特别地，接触件7可以具有设置于多Ge台面10上、平行于信号传输方向X并沿着长度L延伸的条的形式，它可以被定位于接近台面上表面的边界，即它可以与矩形W×L的边界接触或者可以被定位于离边界的给定距离处。但是，单个中央条的存在会在其最大值附近扰乱传播光学模式，驱使光场远离金属条，从而降低了效率。
光电二极管1的暗电流的值通过相关散粒噪声对整体能量消耗和噪声性能具有非常重要的影响。图8中示出图1、3和5a的光电探测器1的所测量的典型的暗电流密度/反向偏置(用于异质结)的特征。实线表示所讨论的第一优选实施例中的暗电流密度。因此，本实施例的光电探测器表现出良好的反向偏置特性和暗电流密度Id(在1和10V处分别为0.6和1mA/cm2)，标准偏差＜10％。根据is＝(2qIdB)1/2，从所测量的Id估算相应的散粒噪声，其中q是电子电荷，B是带宽(在此计算中认为等于1GHz)。在表1中列出根据第一实施例的光电探测器的典型值(W＝9μm、L＝1mm、T＝120nm(焊盘为10-3cm2))：
表1
    反向偏置(V)  Id(A) Is(nA)
    11020  4.2*10-76.6*10-71.7*10-6     111423
本实施例的光电探测器的响应度已经通过40×物镜和用于偏振的半波片并利用来自半导体激光器的对接耦合光进行了测量。光电流被转换为电压，然后由锁相放大器相对反向偏置进行测量。测量被定义为透镜输入处(即没有透镜传输、反射和模型失配的校正)的光电流和功率之间的比例的壁插头响应度。图9中针对水平(实线)和垂直(虚线)光偏振示出在1.55μm处具有T＝120nm、W＝8μm、L＝600μm的光电探测器的典型响应度-反向偏置。可以看出，壁插头响应度的范围在10-15mA/W内。
最后，执行速度测量。如果设备被适当偏置，则与经过损耗层相关的通过时间有望小于一百皮秒，并且认为光电探测器1的带宽受RC限制，其中R是串联电阻(Rs)加上负载电阻RL，C是结电容。如果反向偏置在10V以上，假设硅波导(具有在前述测量中的厚度2μm)被完全损耗，并且对于具有在400μm到1200μm之间的L和60×60μm2的金属焊盘的设备，结电容在0.8-2.0pF之间。根据所述电容范围并考虑100欧姆的负载和串联电阻，带宽期望在0.5GHz-2GHz之间。图11示出图1、3和5a的光电探测器1的典型测量响应(W＝10μm、L＝100μm、T＝120nm、焊盘60×60μm2)，所绘制的曲线示出大约500ps的上升和下降时间。500ps的上升时间对应于大约0.7GHz的带宽，这在预期的范围内。但是，所测量的串联电阻Rs超过500欧姆，可以将其最小化(从而提高设备速度)，以使阴极接触件的欧姆特征最优化。
例子1
使用了具有2μm厚的n型Si上层(2-3Ωcm)和1.5μm厚的Si02绝缘体的键合与回蚀SOI衬底。样本被切开，但输入面未抛光。
利用使用99.999％纯度商业来源和处于真空的背景压力为10-6-10-7Torr(托)的钨坩锅的热汽化生长多晶锗膜。由大块铜板加热衬底，利用热同轴电缆将温度稳定在300℃。选择Ge膜的厚度T等于120nm。在引入真空腔之前，在室温下，通过将SOI衬底浸入氢氟酸缓冲液(BHF)中10秒来化学地清洗SOI衬底。多Ge台面10由光刻和选择性湿法刻蚀来限定。
铝接触件随后利用热汽化沉积，并用标准光刻限定。用于引线接合的方形焊盘大约为60×60μm2。
制造若干具有在400和2400μm之间的不同长度的设备。
在图2、4和5b中用1′表示根据本发明的光电探测器的第二优选实施例。本实施例的另外的变体示于图5c中，其中波导2的几何形状与图5b中的几何形状不同。但是，图5c的该脊形波导也可以用在第一实施例的光电探测器的框架中。图2、4和5b/5c中相同的附图标记指示与图1、3和5a中用1表示的第一优选实施例的功能相同的部分。
光电探测器1和光电探测器1′之间的区别在于沉积在多Ge层4上的第一金属接触件的形状和尺寸不同。在根据第二优选实施例的光电探测器1′中，多Ge台面上的第一金属接触件包括两个金属条16a、16b，二者优选具有长度L并彼此平行且与传输方向X平行地设置。优选地，在台面10上相对于纵轴X对称地设置所述两个金属条16a、16b。用w表示的、这些条的宽度小于W/2。更优选地，这两个金属条具有相等的横向尺寸。
优选的是，光电探测器1′的该第二实施例具有两个条16a、16b，二者的位置相对于台面上表面10a的中心对称。请注意，第一实施例(即光电探测器1)中的金属损耗比第二实施例中的大的多，因为前者的接触件尺寸更大。可以使用单个的水平条，但是产生的电场分布对于光电载体收集不是最佳的，并且串联电阻可能增加。
例如通过金属焊盘11(图4)将两个条16a、16b相互连接。
硅基波导2上的第二金属接触件9a、9b相对于第一优选实施例保持不变。
优选地，两个条16a、16b不与台面10的边界相邻，而是在每个条的边缘和台面10的边缘之间留有最小限度的距离，以防止由于属于第一金属接触件7的金属部分与硅波导2的意外接触而造成短路的危险。所述最小限度的距离优选地为1μm级。
在本发明的光电探测器的第一实施例中，已经示出(见图6)由于金属接触造成的损耗相对大，因此多Ge层4的厚度T优选地不过小(即它比大约100nm更厚)。在第二优选实施例中，在多Ge层4上存在的金属量相对于第一实施例减少，从而有望可以忽略接触中的损耗，或者至少降低该损耗。
如图7所示，示出相似于图6中所示的第一优选实施例1的曲线的第二实施例1′的曲线。特别地，示出光电探测器1′(其多Ge台面10的W＝30μm并且两个金属条16a、16b的宽度都等于w＝5μm)的特性的模拟。接触件7、9a、9b以铝实现。由于金属损耗的降低，光电探测器1′的效率相对于多Ge层厚度T′表现出单调特性(在第一实施例中，该曲线具有最大值)。因此后者参数T′只由层的粗糙度等制造约束和等于靠近Ge/Si界面的有源层的最小值(大约为50nm)所限制，以便具有几乎完全的吸收。
因此，该第二实施例中的多Ge层4的优选厚度T′的范围是60nm≤T′≤200nm，更优选地是80nm≤T′≤180nm。多Ge层的相对宽范围的优选的合适厚度允许更大的设计灵活性并有望提高响应度。而且，一般选择响应度和速度之间的平衡。
另一方面，由于更为复杂的几何形状以及在多Ge台面10的相同表面上形成两个微小的平行金属条所造成的技术约束，优选地，多Ge台面10的宽度W′大于或等于20μm。更优选地，在此实施例中台面的宽度为20μm≤W′≤50μm。
优选地将条16a、16b的宽度w最小化，以具有大的覆盖-未覆盖比例，它也由光刻技术所限制。优选地，2μm≤w≤10μm。
第二实施例的光电探测器1′的其它优选设计参数等于第一实施例1所提到的参数，例如长度L的值和第二金属接触件9a、9b的形状。
下面在表2中示出针对第二实施例、特别针对光电探测器1′(W＝30μm、w＝5μm、L＝500μm和T＝120nm)所计算的表1中所列出的值：
表2
    反向偏置(V) Id(A)   Is(nA)
    11020  5.2*10-76.3*10-68.6*10-5     1344165
图8中示出针对光电探测器1′的第二实施例所测量的典型的电流-电压特性，其中使用虚线画出第二实施例的曲线。
图10示出针对光电探测器1′在1.55μm处的水平(实线)和垂直(虚线)光偏振所测量的典型的壁插头响应度-偏压。插图显示在响应度和偏振独立性方面的最佳结果。对于W＝30μm、w＝5μm、L＞500μm和T＝120nm的探测器，壁插头响应度的范围是8-12mA/W。
还应该注意的是，偏振响应度比例典型地从5.5(第一实施例的光电探测器1，见图9)降至1.6(第二实施例的光电探测器1′，见图10)。这与在具有基本U型的双接触件的大部分多Ge层4上缺少顶部金属有关。
由于多Ge层4的高传导性，第二实施例的光电探测器1′的结电容基本上等于第一实施例的光电探测器的结电容，即使接触区域不同。因此，两种设备表现出几乎相同的速度(见图11的第一实施例的光电探测器1的速度)。本发明的光电探测器1、1′、1″可用作光纤通信接收机的分立组件。设备1、1′、1″可直接与光纤51耦合(图13a)或通过允许对进入光进行路由和弯曲的波导50耦合(见图13b)。它们还可用作各种高级系统的一部分。与标准VLSI硅技术的兼容性允许硅基光电集成电路作为图14中所示的接收机100制造。接收机100包括光电探测器1(1′或1″)、模拟前端(跨阻抗放大器)52和一些处理/寻址混合信号电子装置53。
可以使用本发明的光电探测器来应用不同的系统，从进入的光信号中，或为监视目的或为完全减弱而分接特定波长。该光测量可以是宽带和窄带(波长选择)。
图15a-15e示出应用本发明的光电探测器的不同结构。图15a示出可以针对宽带和窄带分接而设计的传统的结构，图15b示出基于波长选择性环形谐振腔的取样，图15c示出线中结构，其允许使信号基本相同的光监视，图15d示出用于波分复用(WDM)的多分接/探测，图15e示出基于光子晶体的WDM接收机/监视器的改进版本，其大大地提高了波长选择性。在上述图中，为了简明，用1表示光电探测器，但是可以替换地选择根据本发明第一实施例1的光电探测器、或根据第二实施例1′、1″的光电探测器。

Claims (38)

1、一种光电探测器结构(1、1′、1″)，包括：
硅基波导(2)，其中待探测的光信号在给定方向(X)上传输，并被限制在其中；
锗层(4)，设置在所述硅基波导(2)的一部分上，使得在所述波导(2)中传输的光信号的逐渐消失的尾部耦合入所述锗层(4)中，所述锗层(4)包括台面(10)，所述台面(10)具有沿信号传输方向(X)的长度(L)和沿基本上垂直于所述传输方向(X)的方向(Z)的宽度(W)，其中所述台面(10)的宽度(W)小于它的长度(L)；
第一(7)和第二金属接触件(9a、9b)，所述第一金属接触件(7)位于所述锗层(4)上，而所述第二金属接触件(9a、9b)位于所述硅基波导(2)上，所述第一和第二接触件用于收集由光吸收产生的电子以获得输出电信号。
2、根据权利要求1的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述锗层(4)是多晶锗层。
3、根据权利要求1或2的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述锗层(4)被置于直接与所述硅基波导(2)的一部分接触的位置上。
4、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第一金属接触件(7)包括位于所述硅基波导(2)顶部的金属条(15)。
5、根据权利要求4的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第一接触件(7)的金属条(15)平行于所述传输方向(X)设置，并且沿所述传输方向具有基本上等于所述锗台面(10)的长度(L)的长度。
6、根据权利要求2-6中的任意一项的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述锗台面(10)的长度(L)的范围是10μm≤L≤2000μm。
7、根据权利要求6的光电探测器结构(1、1′、1″)，  其中所述锗台面(10)的长度(L)范围是400μm≤L≤1000μm。
8、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第二金属接触件(9a、9b)包括位于所述硅基波导(2)顶部的金属条(9a；9b)。
9、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第二金属接触件(9a、9b)包括位于所述硅基波导(2)顶部并且相对于所述锗层(4)对称设置的两个金属条(9a、9b)。
10、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，包括层(8)，并且其中所述硅基波导(2)位于实现在衬底(3)上的所述层(8)的顶部，所述波导(2)、所述层(8)和所述衬底(3)形成绝缘体上硅(SOI)结构。
11、根据权利要求10的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述层(8)是SiO2层。
12、根据权利要求10或11的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述衬底(3)包括硅。
13、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述硅基波导(2)为n型。
14、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述锗层(4)为p型。
15、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述硅基波导(2)的厚度的范围是2-3μm。
16、根据权利要求2-15中的任意一项的光电探测器结构(1、1′、1″)，  其中所述锗台面(10)的宽度(W)的范围是10μm≤W≤50μm。
17、根据权利要求4-16中的任意一项的光电探测器结构(1)，其中所述第一接触件(7)的金属条(15)的宽度基本上等于所述多晶锗层(4)的宽度(W)。
18、根据权利要求2-17中的任意一项的光电探测器结构(1)，其中所述锗台面(10)的厚度(T)的范围是100nm≤T≤160nm。
19、根据权利要求4-18中的任意一项的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第一接触件(7)的所述金属条(15)的宽度小于所述锗层(4)的宽度(W)。
20、根据权利要求2-15中的任意一项的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述第一金属接触件(7)包括设置于所述锗层(4)上的第一和第二金属条(16a、16b)。
21、根据权利要求20的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述第一和第二金属条(16a、16b)的位置相互平行。
22、根据权利要求20或21的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述第一和第二金属条(16a、16b)都具有与所述锗台面(10)基本相同的长度(L)。
23、根据权利要求20-22中的任意一项的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述第一和第二条(16a、16b)的宽度(w)范围都是2μm≤w≤10μm。
24、根据权利要求23的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述第一和第二条(16a、16b)的宽度(w)相等。
25、根据权利要求20-24中的任意一项的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述锗台面(10)的宽度(W′)的范围是20μm≤W′≤50μm。
26、根据权利要求20-25中的任意一项的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述锗台面(10)包括顶面(10a)，并且所述第一和第二条(16a、16b)在所述顶面上对称设置。
27、根据权利要求20-26中的任意一项的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述锗台面(10)包括顶面(10a)，并且所述第一和第二条(16a、16b)位于离所述顶面(10a)的横向边缘给定距离处。
28、根据权利要求27的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述给定距离为1μm级。
29、根据权利要求20-28中的任意一项的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述锗台面(10)的厚度(T′)的范围是60nm≤T′≤200nm。
30、根据权利要求29的光电探测器结构(1′、1″)，其中所述锗台面(10)的厚度(T′)的范围是80nm≤T′≤180nm。
31、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第一(7)与第二金属接触件(9a、9b)的距离(d)的范围是10μm≤d≤20μm。
32、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述锗层(4)包括焊盘(12)，所述台面(10)从该焊盘(12)延伸。
33、根据权利要求32的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中金属焊盘(11)位于在所述锗层(4)中实现的所述焊盘(12)上。
34、根据权利要求33的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述金属焊盘(11)为方形。
35、根据前述任意一项权利要求的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第一(7)和第二金属接触件(9a、9b)包括金。
36、根据权利要求1-34中的任意一项的光电探测器结构(1、1′、1″)，其中所述第一(7)和第二金属接触件(9a、9b)包括银。
37、一种光纤通信接收机(100)，包括根据权利要求1-36中的任意一项实现的光电探测器结构(1、1′、1″)。
38、一种光纤，包括根据权利要求1-36中的任意一项实现的光电探测器结构(1、1′、1″)。
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