CN101490856B - 倒平面雪崩光电二极管 - Google Patents
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Abstract
公开了一种雪崩光探测器。根据本发明一方面的设备包括：半导体基底层，包括第一类型的半导体材料。所述设备还包括：倍增层，包括所述第一类型的半导体材料，邻近所述半导体基底层设置。所述设备还包括：吸收层，包括第二类型的半导体材料，邻近所述倍增层设置，使得所述倍增层设置于所述吸收层和所述半导体基底层之间。光耦接所述吸收层以接收和吸收光束。所述设备还包括：所述第一类型的半导体材料的n+掺杂区，限定在所述倍增层的与所述吸收层相反的表面处。在所述倍增层中生成高电场，以倍增响应于对在所述吸收层中接收的所述光束的所述吸收而光生的电荷载流子。
Description
技术领域
本发明的实施例总体涉及光学器件，并且更具体地但是不排它地涉及光探测器。
背景技术
随着互联网数据业务增长率正赶上电话业务，对于快速和有效的基于光的技术的需求日益增长，推动了对光纤光通信的需求。在密集波分复用(DWDM)系统中在相同光纤上进行的多光通道传输提供了简单的方式来使用由光纤光学器件提供的空前的容量(信号带宽)。系统中通常使用的光学部件包括：波分复用(WDM)发送器和接收器，诸如衍射光栅、薄膜滤光器、光纤布拉格光栅、阵列波导光栅的光学滤光器，光分/插复用器和激光器。光电二极管可以用作光探测器以通过将入射光转换为电信号来探测光。可以将电路耦接至光探测器以接收表示入射光的电信号。然后电路可以根据期望的应用来处理电信号。雪崩光探测器提供内部电增益并且因此具有适合于非常微弱的光信号探测的高灵敏度。
附图说明
参照以下附图描述本发明的非限制性的和非穷举的实施例，其中，遍及各个视图，类似的参考数字指类似的部件，除非另外指明。
图1是示例根据本发明的教导的在系统的吸收层和半导体基底层之间具有倍增层的倒平面雪崩光探测器的横截面视图的范例的图示。
具体实施方式
公开了用于倒平面雪崩光探测器(APD)的方法和设备。为了提供对本发明的彻底的理解，在以下描述中提出了许多具体细节。然而，对本领域技术人员来说，不必采用具体细节来实施本发明是明显的。在其它实例中，为了避免使本发明不清楚，不详细描述公知材料和方法。
整个说明书中引用的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。从而，整个说明书中多个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不必全指相同实施例。此外，可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式组合特定特征、结构或特性。另外，应当理解，同此提供的附图是用于对本领域技术人员的解释目的，并且附图不必按比例绘制。此外，应当理解，根据本发明的教导，在此公开中描述的参杂浓度、厚度以及材料等的具体范例是用于解释目的，并且可以使用其它参杂浓度、厚度以及材料等。
图1是总体示例根据本发明的范例的包括倒平面雪崩光探测器(APD)101的系统102的横截面视图的图示。在示例的范例中，将光或光束124从光源139引导至APD 101。取决于具体应用，光束124可以源自光源139或可以是从光源139反射的。在一个范例中，可以可选地将光束124直接从光源139引导或聚焦至APD 101，或可以穿过光学元件137将其引导至APD 101。
在图1中描绘的范例中，应当注意，为解释目的，光或光束124示例为从“顶部”引导至APD 101。然而，在另一范例中，应当理解，根据本发明的教导，光或光束124可以从“顶部”或“底部”引导至APD 101。
应当理解，在多种应用和配置中，可以使用一个或多个APD 101。例如，取决于具体应用，应当理解，在电信中，可以单独地采用APD 101来例如探测以低功率光束124编码的信号。在另一范例中，APD 101可以是用于感测图像等的以阵列或格栅布置的多个APD中的一个。例如，以格栅布置的阵列APD可以用于感测图像，类似于互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列等。
在一个范例中，光学元件137可以包括透镜或其它类型的折射或衍射光学元件，使得利用包括光束124的照明将图像引导或聚焦在APD 101的阵列上。光束124可以包括可见光、红外光和/或跨可见至红外光谱的波长的组合等。例如，在一个范例中，APD 101对波长在约1.0μm-1.6μm范围内的光束124敏感。
在示例的范例中，APD 101功能上是将光信号转换为电信号的光电二极管和以增益来倍增探测的信号的放大器的组合。如所示，APD 101包括半导体基底层103、邻近半导体基底层设置的倍增层107以及邻近倍增层107设置的吸收层109，使得倍增层107设置于半导体基底层103和吸收层109之间。在示例的范例中，半导体基底103和倍增层107均包括第一类型的半导体材料，诸如硅，而吸收层109包括第二类型的半导体材料，诸如锗或锗-硅合金材料。
在范例中，可以将外部偏压V+在接触部121和122之间施加至APD101。在多个范例中，外部偏压V+的典型电压值可以大于或等于20伏。在其它范例中，应当理解，根据本发明的教导，对外部偏压V+，可以使用其它电压值。如范例中所示，接触部121经由n+掺杂的第一类型半导体区111耦接至倍增层107，而接触部122经由p+掺杂的第二类型半导体区113耦接至吸收层109。根据本发明的教导，n+掺杂区111和p+掺杂区113有助于改善接触部121和122至APD 101的欧姆接触。
如在图1中示例的范例中所示，n+掺杂区111限定在表面123上或在倍增层107的与吸收层109相反的侧上。换句话说，n+掺杂区111限定在表面123上，表面123在倍增层107的与半导体基底层103相同的侧上。根据本发明的教导，为了到达(access)倍增层107的表面123处的n+掺杂区111，将n+掺杂区111限定在被限定在半导体基底103中的开口117内。
在图1中所示的范例中，就电场强度来说，APD 101功能上包括两个区——一个在吸收区109中，其中利用施加至APD 101的外部偏压V+产生低电场。在一个范例中，存在于吸收层109中的低电场是约100kV/cm。另一电场区在倍增层107中，其中，根据本发明的教导，通过包括在APD 101的区中的掺杂浓度来产生高电场。在一个范例中，倍增层107中存在的高电场是约500kV/cm。
在操作中，引导光束124穿过吸收层109的顶面119并进入吸收层109。如果光束124的入射光子的能量等于或高于低电场吸收层109内的半导体材料(例如锗/锗-硅合金)的带隙能量，则通过该光子在吸收层109中初始地光生自由电荷载流子或电子-空穴对。图1中作为空穴131和电子133示例了这些光生电荷载流子。
根据本发明的教导，通过将外部偏压V+施加至APD 101而在吸收层109中导致低电场，将空穴131加速朝向耦接至吸收层109的接触部122，而将电子133加速朝向接触部121，从电子吸收层109出来进入倍增层107。
作为吸收层109中的低电场的结果，电子133和空穴131被注入到倍增层107中的高电场中，随着电子133和空穴131的注入，它们被分开。随着电子133获得足够的动能并与倍增层中的半导体材料中的其它电子碰撞，发生了碰撞电离，导致附加的电子-空穴对，示为在倍增层109中产生的空穴131和电子133，导致至少部分电子-空穴对成为光电流的部分。根据本发明的教导，该碰撞电离链导致载流子倍增。雪崩倍增继续发生，直到电子133移出APD 101的有源区而到达接触部121。
在图1中示例的范例中，应当理解，吸收层109是未经刻蚀的并且因此是完全平坦的。相反，范例中所示例的半导体基底层103的部分在APD101的制造过程中被去除，以到达倍增层107的表面123。通过这样做，可以在倍增层107的表面123上注入n+掺杂区111。在一个范例中，n+掺杂区111用于侧向限定倍增层107。在一个范例中，可以将包括接触部121的金属层经由开口117耦接至n+掺杂区。
图1还示例可以在APD 101中包括保护环结构115，其在示例的范例中示出为浮置保护环，其具有设置于倍增层的表面123上的、围绕n+掺杂区111的n+掺杂半导体材料。在另一范例中，应当理解，保护环结构115可以不必如图1中示例的那样浮置，而是替代地，可以耦接至已知的电位。在多个范例中，根据本发明的教导，保护环结构115有助于避免或降低倍增层107中的提前边缘击穿。
在一个范例中，APD 101的制造可以开始于低掺杂的硅层。在一个范例中，此低掺杂的硅层可以例如是硅基底。在另一范例中，此低掺杂的硅层可以是绝缘体上硅(SOI)晶片或硅之上或上面外延生长的硅层。在图1中所示的范例中，此低掺杂的硅层示出为倍增层107。图1中所示的范例示出了SOI晶片的掩埋氧化物层，其示例为SiO2层105。图1中，SOI晶片的硅基底层示例为硅基底层103。根据本发明的教导，在不使用SOI晶片的范例中，则不包括SiO2层105。在一个范例中，倍增层107的掺杂浓度相对低，诸如例如为1E15cm-3。在一个范例中，倍增层107的厚度在约0.2μm-1μm的范围中。实际上，如果倍增层107太薄，则增益将太低，并且如果太厚，则APD 101的器件带宽将太低。
继续该范例，然后在倍增层107上外延生长包括锗材料的吸收层109。在一个范例中，给锗吸收层109选择1μm的厚度。然而，在其它范例中，可以增大锗吸收层109的厚度以提高响应率或降低其厚度以提高探测器速度。在一个范例中，锗吸收层109的掺杂浓度也是相对低的，诸如例如1E15cm-3。
在范例中，然后使用例如离子注入、扩散工艺或另外的合适的技术在锗吸收层109中或在其顶面119上形成顶部p+掺杂区113。在一个范例中，p+掺杂区113具有相对高的掺杂浓度，诸如例如大于5E19cm-3，以提供与接触部122的好的欧姆接触。应当注意，在图1中所示例的范例中，p+掺杂区定位于顶面119上，但是在另外的范例中，p+掺杂区113也能够是外延生长在吸收层109上的层，在该情况下，p+掺杂区113将不侧向地定位在吸收层109的顶面119上。
继续示例的范例，然后可以使用标准的抛光技术来将硅基底层103减薄至例如约80μm或更小的厚度。在一个范例中，硅基底层103的最终厚度应当小，以促进随后的处理步骤，但是硅基底层103的最终厚度也应当足够厚，以保持鲁棒的。实际上，如果晶片太薄，其将变得太易碎和破裂。
如图1中所示，根据本发明的教导，然后使用例如湿或干刻蚀将器件有源区以下的区域刻蚀掉，以形成开口117，如果可应用的话，用于暴露或提供穿过硅基底层103和SiO2氧化物层105而至倍增层107的表面123的通路。在范例中，开口117应当足够大，以容许发生随后的处理步骤。在不使用SOI晶片并且因此不包括SiO2层105的范例中，根据本发明的教导，于是硅基底层103是硅层，该硅层被刻蚀用来限定用于暴露或提供至倍增层107的表面123的通路的开口117。
继续该范例，然后使用离子注入、扩散或另外的合适的技术穿过开口117而在倍增层107的表面123上限定n+掺杂区111。在范例中，使用n+掺杂区111有助于提供至硅外延倍增层107的电连接。一旦形成n+掺杂区111，就可以使用金属化层或其它合适的技术穿过开口117将接触部121耦接至n+掺杂区。在一个范例中，为了避免倍增层中的提前边缘击穿，也可以如所示的穿过开口117在表面123中限定保护环结构115。在多个范例中，能够使用数个技术来避免边缘击穿，诸如图1中所示的浮置保护环结构115。在另外的范例中，根据本发明的教导，可以将另外的接触部耦接至保护环结构115，以将保护环结构连接至已知的电位。在一个范例中，可以使用双注入或扩散或其它合适的技术来穿过开口117来形成保护环结构115，如所示。
应当理解，因为如上述刻蚀了硅基底层103来产生开口117，所以APD101不是完全平坦的器件。然而，应当注意，被刻蚀来限定开口117的硅基底层103的区对APD 101的器件性能不是关键的，所以降低了作为刻蚀的结果的对APD 101的性能的负面影响。另外，APD 101不需要在诸如表面123的暴露的刻蚀的表面上沉积钝化层。
如上述的通过刻蚀来提供开口117，提供了至倍增层107的表面123的完全的通路，这使得在注入或扩散n+掺杂区111和保护环结构115时能够实现精确的控制。实际上，利用由开口117提供的完全的通路，根据本发明的教导，精确地限定倍增层107的表面123上的APD 101的此区以防止边缘击穿和剪裁APD 101的竖直电场轮廓是可能的。
本发明的示例实施例的以上描述，包括在摘要中描述的，不是意在穷举或限定于所公开的精确形式。然而，于此描述本发明的具体实施例以及针对本发明的范例是用于示例目的，多种等同的改进和修改是可能的，如本领域技术人员所知道的。实际上，应当理解，根据本发明的教导，提供的任何具体波长、尺寸、材料、时间、电压、功率范围值等是用于解释目的，并且在其它实施例中也可以采用其它值。
根据上述详细描述，能够对本发明的实施例作出这些修改。以下权利要求中使用的术语不应解释为限制本发明于在说明书和权利要求中公开的具体实施例。相反，该范围应当完全由以下权利要求来确定，应当根据已确立的对权利要求进行解释的原则来解释这些权利要求。
Claims (27)
1.一种光学设备，包括：
半导体基底层，包括第一类型的半导体材料；
倍增层，邻近所述半导体基底层设置，且包括所述第一类型的半导体材料；
吸收层，邻近所述倍增层设置，且包括第二类型的半导体材料，使得所述倍增层设置于所述吸收层和所述半导体基底层之间，其中，光耦接所述吸收层以接收和吸收光束；
所述第一类型的半导体材料的n+掺杂区，限定在所述倍增层的与所述吸收层相反的表面处，其中，在所述倍增层中生成高电场，以倍增响应于对在所述吸收层中接收的所述光束的所述吸收而光生的电荷载流子；
第一金属接触部，耦接至所述倍增层的与所述吸收层相反的所述表面处的所述n+掺杂区，以向所述n+掺杂区施加偏压；以及
所述吸收层中的p+掺杂区，其中，所述p+掺杂区仅部分延伸至所述吸收层中。
2.如权利要求1所述的设备，其中，在贯穿所述半导体基底层限定的开口内限定所述n+掺杂区，以到达所述倍增层。
3.如权利要求1所述的设备，其中，所述第一类型的半导体材料包括硅，且所述第二类型的半导体材料包括锗或锗-硅合金。
4.如权利要求1所述的设备，其中，所述倍增层包括硅。
5.如权利要求4所述的设备，其中，所述吸收层包括外延生长在所述倍增层之上的锗层。
6.如权利要求1所述的设备，还包括在所述倍增层的与所述吸收层相反的所述表面处的所述n+掺杂区周围限定的保护环结构。
7.如权利要求6所述的设备，其中，所述保护环结构是包括n+掺杂类型的半导体材料的浮置保护环。
8.如权利要求6所述的设备，其中，所述保护环结构耦接至已知的电位。
9.如权利要求1所述的设备，还包括耦接至所述吸收层的第二接触部，其中，所述偏压施加于所述第一金属接触部和所述第二接触部之间，以跨所述吸收层产生低电场。
10.如权利要求9所述的设备，其中，所述第二接触部耦接至所述吸收层中的所述p+掺杂区。
11.如权利要求1所述的设备，还包括设置于所述半导体基底层和所述倍增层之间的绝缘体上硅晶片的氧化物层。
12.一种光学方法，包括：
将光束引导到包括第一类型的半导体材料的吸收层中；
吸收所述光束的至少一部分以在所述吸收层中光生电子-空穴对；
将电子从所述吸收层中加速出来而进入设置于所述吸收层和半导体基底层之间的倍增层中，所述倍增层和所述半导体基底层包括第二类型的半导体材料，所述倍增层包括在所述倍增层的与所述吸收层相反的且邻近所述半导体基底层的表面处限定的n+掺杂区；以及
利用所述倍增层中的高电场来倍增所述吸收层中的光生电子，
其中，将第一金属接触部耦接至所述倍增层的与所述吸收层相反的所述表面处的所述n+掺杂区，以向所述n+掺杂区施加偏压；以及
在所述吸收层中存在p+掺杂区，且所述p+掺杂区仅部分延伸至所述吸收层中。
13.如权利要求12所述的方法，还包括在耦接至所述吸收层中的p+掺杂区的第二接触部和所述第一金属接触部之间施加外部偏压，以在所述吸收层中产生低电场来将所述电子从所述吸收层中加速出来而进入倍增层中。
14.如权利要求13所述的方法，其中，施加所述外部偏压包括到达贯穿所述半导体基底层限定的开口内的所述n+掺杂区，以将所述外部偏压施加至所述n+掺杂区。
15.如权利要求12所述的方法，其中，倍增所述吸收层中的所述光生电子包括利用所述倍增层中的所述高电场来使所述电子发生碰撞电离。
16.如权利要求12所述的方法，其中，第一类型的半导体包括锗或锗-硅合金，而第二类型的半导体材料包括硅。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述倍增层包括硅，而所述吸收层包括在所述硅之上外延生长的锗。
18.如权利要求12所述的方法，还包括利用在所述倍增层的与所述吸收层相反的所述表面处的所述n+掺杂区周围限定的保护环结构来降低所述倍增层中的边缘击穿。
19.一种光学系统，包括：
一个或多个雪崩光探测器，所述一个或多个雪崩光电探测器的每一个包括：
半导体基底层，包括第一类型的半导体材料；
倍增层，邻近所述半导体基底层设置，且包括所述第一类型的半导体材料；
吸收层，邻近所述倍增层设置，且包括第二类型的半导体材料，使得所述倍增层设置于所述吸收层和所述半导体基底层之间，其中，光耦接所述吸收层以接收和吸收光束；
所述第一类型的半导体材料的n+掺杂区，限定在所述倍增层的与所述吸收层相反的且邻近所述半导体基底层的表面处，其中，在所述倍增层中生成高电场，以倍增响应于对在所述吸收层中接收的所述光束的所述吸收而光生的电荷载流子；
第一金属接触部，耦接至所述倍增层的与所述吸收层相反的所述表面处的所述n+掺杂区，以向所述n+掺杂区施加偏压；以及
所述吸收层中的p+掺杂区，其中，所述p+掺杂区仅部分延伸至所述吸收层中；以及
光学元件，用于将光束引导到所述一个或多个雪崩光探测器上。
20.如权利要求19所述的系统，其中，所述光学元件包括透镜。
21.如权利要求19所述的系统，在贯穿所述半导体基底层限定的开口内限定所述n+掺杂区，以到达所述倍增层。
22.如权利要求19所述的系统，其中，第一类型的半导体包括硅，而所述第二类型的半导体材料包括锗或锗-硅合金。
23.如权利要求22所述的系统，其中，所述倍增层包括硅。
24.如权利要求23所述的系统，其中，所述吸收层包括外延生长在所述倍增层之上的锗层。
25.如权利要求19所述的系统，其中，所述一个或多个雪崩光探测器还包括在所述倍增层的与所述吸收层相反的所述表面处的所述n+掺杂区周围限定的保护环结构。
26.如权利要求19所述的系统，其中，所述一个或多个雪崩光探测器还包括耦接至所述吸收层的第二接触部，其中，所述偏压施加于所述第一金属接触部和所述第二接触部之间，以跨所述吸收层产生低电场。
27.如权利要求26所述的系统，其中，所述第二接触部耦接至所述吸收层中的所述p+掺杂区。
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