CN103262264B - 单片三端子光电检测器 - Google Patents

单片三端子光电检测器 Download PDF

Info

Publication number
CN103262264B
CN103262264B CN201180055928.4A CN201180055928A CN103262264B CN 103262264 B CN103262264 B CN 103262264B CN 201180055928 A CN201180055928 A CN 201180055928A CN 103262264 B CN103262264 B CN 103262264B
Authority
CN
China
Prior art keywords
terminal
junction structure
photoelectric detector
region
multiplication
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201180055928.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103262264A (zh
Inventor
Y-C·N·那
Y·康
I·赵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Intel Corp
Original Assignee
Intel Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Intel Corp filed Critical Intel Corp
Publication of CN103262264A publication Critical patent/CN103262264A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103262264B publication Critical patent/CN103262264B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02—Details
    • H01L31/02002—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations
    • H01L31/02005—Arrangements for conducting electric current to or from the device in operations for device characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4295—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with semiconductor devices activated by light through the light guide, e.g. thyristors, phototransistors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
    • H01L31/0264—Inorganic materials
    • H01L31/028—Inorganic materials including, apart from doping material or other impurities, only elements of Group IV of the Periodic Table
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/105—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PIN type
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B2006/12083—Constructional arrangements
    • G02B2006/12097—Ridge, rib or the like
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/547—Monocrystalline silicon PV cells

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

一种光电检测器，用于在超低电压下实现光生载流子的倍增。实施例包括结合第二p-i-n半导体结的第一p-i-n半导体结，以形成具有至少三个端子的单片光电检测器。两个p-i-n结构可以共享p型区域或n型区域，作为5第一端子。与共享的端子互补掺杂的两个p-i-n结构的区域形成第二和第三端子，使得第一和第二p-i-n结构可并联地操作。第一p-i-n结构的倍增区域用于：在共享的10第一端子与第二和第三端子中的每一个之间的电压降是非累积的情况下，使第二p-i-n结构的吸收区域内光生成的电荷载流子倍增。

Description

单片三端子光电检测器
技术领域
本发明的实施例涉及半导体器件，并且更特别地涉及单片半导体光电检测器。
背景技术
雪崩光电检测器（APD）通常用在诸如光纤电信和单光子检测应用之类的需要高灵敏度的应用中。常规的单片APD典型地具有分层半导体二极管结构，该分层半导体二极管结构包括设置在重掺杂的P型（p+）区域与n型（n+）区域之间的本征（i）层。在该垂直分层的P-i-N二极管堆叠处于反向偏置的情况下，本征区域内的光生电荷载流子随着它们被扫（sweep）至重掺杂区域而引起载流子倍增。
因为锗（Ge）具有在近红外光谱内的高的响应度，所以锗（Ge）APD结构对于近红外应用而言是有吸引力的。在图1中描绘了常规的基于Ge的APD二极管100。APD二极管100利用设置在衬底101上的堆叠二极管结构。分层的二极管堆叠包括设置在p+Ge顶层125与p-Si层115之间的i-Ge光吸收层120。设置在p-Si层115下方的是n+Si层105，i-Si载流子倍增层110设置在所述p-Si层115与所述n+Si层105之间。如同许多其它的常规的单片APD二极管，APD二极管100的操作需要在p+Ge顶层125和n+Si层105之间的高的偏置电压（例如，通常为20V左右）。然而，这样的高操作电压致使诸如APD二极管100之类的常规的单片APD二极管与许多电子平台（例如，服务器、移动设备等）不兼容，所述电子平台在非常低的电压下操作。
附图说明
图1是需要用于操作的高的偏置电压的常规的雪崩光电检测器二极管结构的截面图；
图2A是根据本发明的实施例的三端子光电检测器结构的截面图；
图2B是根据本发明的实施例的三端子光电检测器结构的等距视图；
图3是根据本发明的实施例的三端子光电检测器电路的示意图；
图4示出了根据本发明的实施例的三端子光电检测器的电流电压（I-V）曲线；并且
图5A和5B示出了根据本发明的实施例的作为三端子光电检测器器件参数的函数的带宽曲线；
具体实施方式
在下文的描述中，介绍了许多具体的细节以提供对本发明的透彻的理解。对本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以在没有这些具体的细节的情况下实施。在其它例子中，不对诸如具体的制造技术之类的公知的特征进行具体的描述，以便不必要地使本发明难以理解。整个说明书中提及的“实施例”意思是结合所述实施例描述的特定特征、结构、材料或特性包含在本发明的至少一个实施例中。因此，在整个说明书的许多地方出现的短语“在实施例中”未必涉及本发明的相同的实施例。此外，特定的特征、结构、材料或特性可以在一个或多个实施例中以任意合适的方式组合。也可以理解附图中所示的各种示例性实施例仅仅是例示性的表示，而未必是按比例绘制的。
术语“耦合”和“连接”以及它们的衍生词在本文中可以用来描述部件之间的结构性关系。可以理解的是，这些术语并不意在作为彼此间的同义词。相反，在特定的实施例中，“连接”可以用来表示两个或更多的元件彼此间直接地物理或电接触。“耦合”可以用来表示两个或更多的元件彼此间直接地或间接地（它们之间具有其它介于中间的元件）物理或电接触，和/或两个或更多的元件彼此间协作或相互作用（例如，构成因果关系）。
在本文中使用的术语“在……上方”、“在……下方”、“在……之间”和“在……上”指的是一个材料层相对于其它材料层的相对位置。同样地，例如，设置在另一个层的上方或下方的一个层可以与所述另一个层直接接触或可以具有一个或多个介于中间的层。此外，设置在两个层之间的一个层可以与所述两个层直接接触或可以具有一个或多个介于中间的层。与此相反，第一层“在”第二层“上”是与所述第二层接触。此外，在假定相对于衬底执行操作而不考虑衬底的绝对取向的情况下提供一个层与其它层的相对位置。
本文中描述了三端子光电检测器结构。在特定实施例中，这样的光电检测器用于实现在超低电压下的光生载流子的倍增。在实施例中，由光电检测器在低于10V的偏置电压下实现光生载流子的雪崩倍增。对于本文中描述的示例性实施方式，在低于6V，更特别地在4.5与5.5V之间的偏置电压下实现光生载流子的雪崩倍增。本领域技术人员将理解的是，在低压下的载流子倍增不过是本文中描述的光电检测器结构的一个优点，并且在基本上不脱离以下实施例中描述的技术方案的情况下，所述结构可以适合于其它操作模式（例如，非雪崩）。
示例性实施例通常包括与第二p-i-n半导体结单片集成以形成具有至少三个端子的单片光电检测器的第一p-i-n半导体结。两个p-i-n结构可以共享p型区域或n型区域作为第一端子。与所述共享端子互补掺杂的两个p-i-n结构的区域形成第二和第三端子，使得所述第一和第二p-i-n结构可并联地而非串联地操作。可以将第一p-i-n结构的倍增区域偏置，以便使在第二p-i-n结构的吸收区域内的光生电荷载流子倍增。这样，倍增区域接近于吸收区域，但与所述吸收区域分隔开，其中在共享的第一端子与第二和第三端子中的每一个之间的电压降是非累积的且是可选择地完全独立的。在操作期间，可以在第一和第三端子间施加第一反向偏置，以便将在第二p-i-n结构中的光生载流子扫向第一p-i-n结构中的倍增区域。然后，通过第二反向偏置在第一与第二端子之间产生倍增后的光电流。
本文中描述的光电检测器的实施例包括：自顶而下（top-down）器件，吸收区域设置在倍增区域上方；自底而上（bottom-up）器件，吸收区域设置在倍增区域下方；以及侧壁器件，倍增区域形成在吸收区域的侧壁上或沟槽中。虽然各种器件取向可以具有不同的照明特性（例如，顶侧/背侧/侧向照明等）和制造挑战，但是自顶而下的器件取向通常容易能够由本领域技术人员修改为维持所述器件的各个功能区域的相对位置的其它结构。所以，虽然在本文中针对自顶而下的器件描述和示出示例性的光电检测器实施例，但是维持功能区域相对于彼此（例如，倍增区域相对于吸收区域）的位置的任何取向，倒转或其它取向，也在本发明的范围内。
图2A是根据本发明的实施例的三端子光电检测器200的截面图。图2B是在图2A中示出的光电检测器200的等距视图。在该示例性的实施例中，光电检测器的吸收区域至少与衬底的由光电检测器的倍增区域占据的区域重叠。然而，在替代的侧壁检测器实施例中，两个p-i-n结构可以占据衬底的不同的区域。如图2A所示，第一p-i-n结构205形成在衬底201中或在衬底201上。衬底201通常可以是适于半导体器件制造的任意材料，例如由一材料的单晶构成的大块（bulk）衬底，所述材料可以包括但不限于：硅、锗、硅锗或III-V族化合物半导体材料（例如InP）。在另一个实施例中，衬底201包括具有顶部外延层的大块层。在具体实施例中，大块层由一材料的单晶构成，所述材料可以包括但不限于：硅、锗、硅锗、III-V族化合物半导体材料，而顶部外延层由单晶层构成，所述单晶层可以包括但不限于：硅、锗、硅锗或III-V族化合物半导体材料。可以在吸收区域或倍增区域是否将形成在衬底半导体中的基础上选择大块衬底或顶部外延层材料。对于在图2A中描绘的示例性实施例而言，衬底201是硅。
第一p-i-n结构205包括n型区域206和p型区域208。如图2B中所示，多个n型区域206与多个p型区域208相间交错（interdigitate），以便在衬底201的区域上形成阵列。在实施例中，多个p型区域206中的至少一些电连接至第一端子209。类似地，多个p型区域208中的至少一些电连接至第二端子210。常规的制造技术可以用来形成这样的相间交叉的区域。对于示例性的硅衬底，p型和n型区域可以是通过常规的掩模和注入操作形成的硼和磷杂质掺杂区域。通常，掺杂浓度越高越好，因为掺杂浓度越高寄生电阻会下降。此外，注入配方也应当考虑热激活期间的杂质扩散，可以用公知技术容易地对其进行建模。示例性的掺杂浓度范围是1e19cm-3-1e20cm-3。p型和n型区域的垂直（厚度）和侧向（宽度）尺寸也可以宽泛地变化，以便实现期望的电阻电容乘积（RC），所述电阻电容乘积（RC）影响光电检测器200的带宽。对于示例性的硅衬底201，掺杂的p型和n型区域206、208中的每一个均是硅，并且厚度约为0.5μm，宽度在约0.1μm与约0.5μm之间。
倍增区域207设置在n型区域206与p型区域208之间。在实施例中，倍增区域207包括第一IV族半导体。在一个这样的实施例中，倍增区域207是在杂质掺杂n型与p型区域之间的衬底的本征区域（例如，本征硅），使得衬底201的区域覆盖有耦合至第一和第二端子209、210的第一p-i-n结构205。在示例性实施例中，该第一p-i-n结构是侧向取向的。通常，因为倍增区域207具有宽度Wi，所以n型区域206是与p型区域208分隔开的，所述宽度Wi所提供的场足以使雪崩倍增在第一与第二端子209、210之间期望的电压偏置下出现在倍增区域207中。通常，取决于形成倍增区域207的半导体材料、期望的操作电压和期望的增益，Wi的尺寸可以设定为从最小可定义的尺寸（例如，目前对于光刻而言是约30nm）至150nm或更大的任意值。对于光电检测器200用作在第一与第二端子209、210之间的偏压小于5.5V时增益为10或更大的APD的示例性Si实施例，n型和p型区域206、208可以用常规的248或193nm光刻设备进行构图，以得到约为100nm的Wi。
在实施例中，第二p-i-n结构形成为接近于第一p-i-n结构。参考图2A和2B中示出的示例性实施例，第二p-i-n结构215相对于第一p-i-n结构205物理地设置，使得吸收区域220充分地接近倍增区域207，以使得能够将光生载流子扫入在第一与第二端子209、210之间产生的场中。例如，在光电检测器200中，吸收区域220设置在倍增区域207上方，但是因为第一和第二p-i-n结构205、215共享第一端子209，所以在吸收区域220中产生的载流子将沿着两个几乎正交的传输路径行进。例如，在吸收区域220中产生的载流子首先在第一和第三端子209和230之间主要沿着垂直取向场线260漂移，直至所述载流子到达第一和第二端子209、210之间的高场区域，在此处，所述载流子主要沿着水平场线261漂移。在实施例中，在载流子沿着水平场线261漂移的同时，发生碰撞电离（即雪崩倍增）且信号增大（begained）。
通常，吸收区域220可以是任意适合于以一个或多个光波长光生成载流子的半导体材料。在特定实施例中，吸收区域220是IV族半导体。在一个可在近红外光谱（例如，包括1310nm和1550nm）中操作的这样的实施例中，吸收区域220是Ge。在具有Si衬底的示例性实施例中，Ge吸收区域220设置在Si倍增区域上方。在这样的实施例中，通过对沉积的多晶Ge膜的结晶化或者通过使用本领域公知技术、在作为模板的Si衬底201上外延生长Ge，来将Ge吸收区域220直接生长在Si衬底上。在替代的IV族实施例中，吸收区域220是SixGey合金或仅仅是Si，这两者也可以晶格匹配地外延生长在Si衬底201上，或者从沉积的多晶膜中再结晶。在替代的III-V族衬底实施例中，吸收区域220可以是外延生长在III-V族衬底201上的诸如InGeAs三元合金之类的III-V族半导体。
吸收区域220可以具有各种杂质掺杂水平。在示例性实施例中，吸收区域220具有最小杂质（即在外延生长期间没有特定的杂质添加），并且因此被称作“本征”（i-层）。然而，在吸收区域220中存在的杂质可以处于本领域公知的任意功能等同的检测器吸收区域的水平，并且具有本领域公知的任意功能等同的检测器吸收区域的形式。在保持生成态最小杂质水平的示例性实施例中，在吸收区域220的生长之前形成扩散阻挡部212，以阻止杂质从n型和/或p型区域206、208扩散。在一个实施例中，例如，扩散阻挡部212是厚度为约100nm的非掺杂/本征地掺杂的Si。如同吸收区域220，扩散阻挡部212可以是外延生长的或用本领域公知的任意的大块沉积/退火工艺形成的。吸收区域220的厚度TA可以在本领域的典型的范围（其中基于响应度和带宽品质因数选择吸收区域220的厚度）内变化。示例性的Ge吸收区域220的厚度在约0.4μm与约3μm之间。
高掺杂区域225设置在吸收区域220上方，从而完成第二p-i-n结构215。高掺杂区域225将耦合至第三端子230。取决于在倍增区域207中电子碰撞电离还是空穴碰撞电离起主要作用，高掺杂区域225分别是p型或n型。对于倍增区域207是硅的一个实施例，高掺杂区域225是p型。为了形成高掺杂区域225，吸收半导体的顶表面可以是重掺杂的。例如，在一个实施例中，Ge层的顶表面可以被p+掺杂到5e19cm-3-1e20cm-3。
在形成光电检测器200的层的情况下，然后可以用公知的技术对吸收区域220的侧向（宽度）尺寸进行构图（掩模和蚀刻），以使光电检测器面积在本领域的典型的范围内变化。例如，吸收区域220可以光刻地限定为跨越基于给定应用（例如法向入射照明274相对于边缘照明276等）所需的光斑尺寸而选择的面积。所以，在特定的光电检测器实施例中，吸收区域可以覆盖4μm2与20μm2之间的衬底面积，其中10μm2对于许多流行的近红外通信实施方式是有用的。本领域公知的技术也可以用于对端子209、210和230进行金属化，以及将光电检测器200集成到单片光电检测器电路中。
在进一步的实施例中，光电检测器200是在半导体芯片上的集成光子器件的部件，其包括波导结构277以将光耦合到光电检测器200内。在实施例中，波导结构277形成在衬底或覆盖材料层中，以便在采用边缘照明276的一些单片应用中限制光学模式。对于示出的实施例，波导结构277是使用公知的制造技术形成在衬底201（例如，硅）中的肋状物。消散技术（evanescenttechnique）可以适用于光电检测器200，以将边缘照明276从波导结构277耦合到覆盖吸收区域220内。波导结构277在光电检测器200的上游的部分可以包括本领域公知的无源或有源光栅结构、光学解复用器等。
图3是根据本发明的实施例的三端子光电检测器电路300的示意图。电路300包括耦合至第一端子209和第二端子210的第一p-i-n结构205。在示例性实施例中，第一p-i-n结构205包括排列的与多个p型区域相间交叉的多个n型区域，i层设置在其间，每个n型区域耦合至第一端子209，并且每个p型区域耦合至第二端子210（例如，如在图2A-2B中示出的）。第二p-i-n结构215耦合至第一端子209并耦合至第三端子230。在实施例中，第二p-i-n结构215包括设置在排列的与p型区域相间交叉的n型区域上方的吸收i层（例如，如在图2A-2B中示出的）。第二p型层耦合至第三端子230。
一个或多个电压电源耦合至端子209、210和230，以便用第二p-i-n结构215上的反向偏压和第一p-i-n结构205上的反向偏压将第一和第二p-i-n结构205、215反向偏置，第二p-i-n结构215上的反向偏压足以将在吸收区域中产生的载流子扫入倍增区域内，第一p-i-n结构205上的反向偏压足以引起被扫入倍增区域内的载流子的倍增。在特定实施例中，第一电压电源340可以以第一电势将第一p-i-n结构205反向偏置，而单独的第二电压电源（未示出）以不同于第一电势的第二电势将第二p-i-n结构215反向偏置。然而，在示例性实施例中，第二和第三端子210、230耦合至保持在参考电压（例如，地）的结点330。这样，第一电压电源340连接到并联的第一和第二p-i-n结构205、215两端。
在电路300的操作期间，将例如在5与5.5V之间的反向偏压施加至第二p-i-n结构215，以便将在第二p-i-n结构215的吸收区域中光生成的电荷载流子电流扫向与第二p-i-n结构315单片集成的第一p-i-n结构205（Iph）。在第一p-i-n结构205也反向偏置（例如，在5与5.5V之间）的情况下，扫入的电荷载流子在第一p-i-n结构205的倍增层内以因数M倍增（MIph）。一旦将第二p-i-n结构215暴露于法向-入射或边缘照明，然后用常规的感测电路在第一p-i-n结构上检测倍增的光生电流MIph。因此，不像常规的基于光电检测器二极管的电路，在吸收区域和倍增区域上的反向偏置电压降不是串联的，而是并联的。该并联结构降低了用于光生载流子的雪崩倍增的总的操作电压。
图4示出了根据本发明的实施例的三端子光电检测器的IV曲线。在图4中，标绘了作为（在第二和第三端子210和230保持在相对于第一端子209的相同的参考电势的情况下）在第一和第二p-i-n结构205、215中的每一个上的反向偏置电压（Vn）的函数的光电检测器200的第一、第二和第三端子中的每一个端子的光生电流和暗电流两者。如图所示，因为Vn增大且在第一端子209与第二端子210之间的光生电流415随着在相关联的更高电场处的更高的倍增而增加，所以在第一端子209处的总的光生电流410从在第一端子209与第三端子230之间的流动的光生电流405开始偏离。这样，光电检测器200可以在两种不同的状态下操作。在第一种状态下（其中，对于示例性实施例而言，Vn小于约4V），光电检测器200作为标准的Gep-i-n光电二极管操作。在第二种状态下（其中，对于示例性实施例而言，Vn大于约5V），电流路径改变，并且光电检测器200作为APD操作，其中，来自第二p-i-n结构215的光生载流子在靠近第一p-i-n结构205的位置处倍增。如在图3中进一步示出的，在约5.2V的Vn处，获得约为10的APD增益。
图5A和5B示出了根据实施例的作为三端子光电检测器器件参数的函数的带宽曲线。图5A描绘了建模为n型区域206和p型区域208两者（分别具有9e19cm-3的杂质掺杂水平、100nm的Wi和10μm2的器件面积）的侧向宽度Wd的函数的RC限制的带宽（fRC）曲线。图5B描绘了建模为Ge吸收区域220（具有100nm厚度的扩散阻挡部212）的厚度的函数的传输时间限制的带宽（fTR）曲线。当总的带宽确定为掺杂宽度Wd和吸收区域厚度Ta两者的函数时，用本文中描述的光电检测器的实施例可以实现10Gbps、25Gbps和40Gbps的操作。

Claims (17)

1.一种单片三端子光电检测器，包括：
n型半导体区域，耦合至所述光电检测器的第一端子；
p型半导体区域，在衬底的一区域上方与所述n型半导体区域相间交叉，在所述n型半导体区域与所述p型半导体区域之间设置倍增区域，所述p型半导体区域耦合至所述光电检测器的第二端子；以及
半导体吸收区域，接近于所述倍增区域设置，并且耦合至所述第一端子和所述第二端子中的至少一个以及所述光电检测器的第三端子。
2.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述倍增区域包括第一IV族半导体，并且其中所述吸收区域包括第二IV族半导体。
3.根据权利要求2所述的光电检测器，其中所述第一IV族半导体是Si、Ge或SixGey合金中的一种，并且其中所述第二IV族半导体是Si、Ge或SixGey合金中的另一种。
4.根据权利要求3所述的光电检测器，其中所述第一IV族半导体是Si且所述第二IV族半导体是Ge，并且其中所述吸收区域通过p型区域耦合至所述第三端子。
5.根据权利要求4所述的光电检测器，其中所述吸收区域的厚度在0.4μm与3μm之间。
6.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述倍增区域和吸收区域是本征掺杂的。
7.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述倍增区域的宽度在30nm与150nm之间。
8.根据权利要求1所述的光电检测器，进一步包括：在所述吸收区域与所述倍增区域之间的杂质扩散阻挡部。
9.根据权利要求1所述的光电检测器，其中所述衬底的面积在4μm2与20μm2之间。
10.一种光电检测器电路，包括：
根据权利要求1所述的光电检测器；以及
一个或多个电压电源，耦合至所述光电检测器，其中所述第二端子和所述第三端子都耦合至参考电压下的公共节点。
11.根据权利要求10所述的光电检测器电路，其中所述一个或多个电压电源提供小于6V的电压。
12.根据权利要求11所述的光电检测器电路，其中跨所述第一端子和所述第二端子的反向偏置足以引起所述倍增区域内的载流子倍增，并且其中跨所述第一端子和所述第三端子的反向偏置足以引起所述半导体吸收区域内的载流子漂移。
13.根据权利要求10所述的光电检测器电路，其中所述半导体吸收区域光学地耦合至波导。
14.根据权利要求10所述的光电检测器电路，还包括
将所述半导体吸收区域耦合至所述第三端子的p型层。
15.一种光子检测方法，包括：
将第一p-i-n结构反向偏置，以便引起在所述第一p-i-n结构的倍增i-层内的电荷载流子的倍增；
将与所述第一p-i-n结构单片地集成的第二p-i-n结构反向偏置，以便将在所述第二p-i-n结构的吸收i-层中光生成的电荷载流子扫向所述第一p-i-n结构；以及
检测所述第一p-i-n结构上的光生电流。
16.根据权利要求15所述的光子检测方法，其中将所述第一p-i-n结构和所述第二p-i-n结构反向偏置包括：在所述第一p-i-n结构和所述第二p-i-n结构上施加相同的电压，其中所述相同的电压小于6V。
17.根据权利要求15所述的光子检测方法，进一步包括：将所述第二p-i-n结构暴露于法向-入射或边缘照明。
CN201180055928.4A 2010-11-22 2011-11-15 单片三端子光电检测器 Active CN103262264B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US12/952,023 2010-11-22
US12/952,023 US8461624B2 (en) 2010-11-22 2010-11-22 Monolithic three terminal photodetector
PCT/US2011/060807 WO2012071219A1 (en) 2010-11-22 2011-11-15 Monolithic three terminal photodetector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103262264A CN103262264A (zh) 2013-08-21
CN103262264B true CN103262264B (zh) 2016-04-27

Family

ID=46063518

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201180055928.4A Active CN103262264B (zh) 2010-11-22 2011-11-15 单片三端子光电检测器

Country Status (6)

Country Link
US (2) US8461624B2 (zh)
JP (1) JP5655153B2 (zh)
CN (1) CN103262264B (zh)
DE (1) DE112011103857B4 (zh)
TW (1) TWI453941B (zh)
WO (1) WO2012071219A1 (zh)

Families Citing this family (35)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9658396B2 (en) 2011-09-29 2017-05-23 Intel Corporation Vertical optical coupler for planar photonic circuits
WO2013066325A1 (en) 2011-11-02 2013-05-10 Intel Corporation Waveguide avalanche photodetectors
CN104025315B (zh) 2011-12-29 2017-11-03 英特尔公司 具有低击穿电压的雪崩光电二极管
US10312397B2 (en) * 2011-12-29 2019-06-04 Intel Corporation Avalanche photodiode with low breakdown voltage
EP2856505B1 (en) * 2012-05-29 2020-11-18 Hewlett-Packard Enterprise Development LP Devices including independently controllable absorption region and multiplication region electric fields
CN104247046A (zh) * 2012-07-25 2014-12-24 惠普发展公司，有限责任合伙企业 具有缺陷辅助的硅吸收区域的雪崩光电二极管
SG2013075379A (en) 2012-10-08 2014-05-29 Agency Science Tech & Res P-i-n photodiode
US9761746B2 (en) 2013-03-11 2017-09-12 Intel Corporation Low voltage avalanche photodiode with re-entrant mirror for silicon based photonic integrated circuits
US9391225B1 (en) * 2013-06-11 2016-07-12 Sandia Corporation Two-dimensional APDs and SPADs and related methods
US9748429B1 (en) 2013-06-11 2017-08-29 National Technology & Engineering Solutions Of Sandia, Llc Avalanche diode having reduced dark current and method for its manufacture
KR101891150B1 (ko) 2013-08-02 2018-09-28 인텔 코포레이션 저전압 광검출기
FR3015114B1 (fr) * 2013-12-13 2016-01-01 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication d'un photo-detecteur
EP3089224B1 (en) * 2014-02-12 2018-12-12 Huawei Technologies Co., Ltd. Waveguide-coupled avalanche photodiode and manufacturing method therefor
EP3038167B1 (en) * 2014-12-22 2017-07-19 IMEC vzw Integrated avalanche germanium photodetector
CA2985057C (en) * 2015-05-28 2019-10-22 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Light-receiving element and optical integrated circuit
JP2017022175A (ja) * 2015-07-07 2017-01-26 ルネサスエレクトロニクス株式会社 半導体装置およびその製造方法
JP6362142B2 (ja) * 2015-09-15 2018-07-25 日本電信電話株式会社 ゲルマニウム受光器
US10254389B2 (en) 2015-11-06 2019-04-09 Artilux Corporation High-speed light sensing apparatus
CN109119509B (zh) * 2017-06-23 2023-10-27 松下知识产权经营株式会社 光检测元件
US10490687B2 (en) 2018-01-29 2019-11-26 Waymo Llc Controlling detection time in photodetectors
GB201814688D0 (en) * 2018-09-10 2018-10-24 Univ Court Univ Of Glasgow Single photon avaalanche detector method for use therof and method for it's manufacture
CN111211182A (zh) * 2018-11-19 2020-05-29 上海新微技术研发中心有限公司 一种波导型光电探测器及其制造方法
US10854768B2 (en) 2018-12-20 2020-12-01 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Optoelectronic component with current deflected to high-gain paths comprising an avalanche photodiode having an absorbing region on a p-doped lateral boundary, an n-doped lateral boundary and an amplifying region
US10797194B2 (en) * 2019-02-22 2020-10-06 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Three-terminal optoelectronic component with improved matching of electric field and photocurrent density
US11652184B2 (en) * 2019-08-28 2023-05-16 Artilux, Inc. Photo-detecting apparatus with low dark current
US11973159B2 (en) * 2019-08-28 2024-04-30 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Photodetector
CN112652674B (zh) 2019-10-11 2022-08-19 苏州旭创科技有限公司 一种波导式光电探测器
US20210399155A1 (en) * 2020-06-19 2021-12-23 Mcmaster University Asymmetric lateral avalanche photodetector
EP3940798A1 (en) * 2020-07-13 2022-01-19 Imec VZW Avalanche photodiode device with a curved absorption region
US11450782B2 (en) 2020-09-03 2022-09-20 Marvell Asia Pte Ltd. Germanium-on-silicon avalanche photodetector in silicon photonics platform, method of making the same
CN114256374B (zh) * 2021-12-29 2023-12-05 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 雪崩光电探测器及其制备方法
CN114256375B (zh) * 2021-12-29 2023-08-08 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 雪崩光电探测器及其制备方法
WO2023125283A1 (zh) * 2021-12-29 2023-07-06 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 雪崩光电探测器及其制备方法
CN114256376B (zh) * 2021-12-29 2023-08-04 武汉光谷信息光电子创新中心有限公司 雪崩光电探测器及其制备方法
CN114497265B (zh) * 2022-02-11 2023-03-28 中国科学院半导体研究所 一种雪崩光电探测器

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5838708A (en) * 1994-10-31 1998-11-17 Hewlett-Packard Company Integration of surface emitting laser and photodiode for monitoring power output of surface emitting laser
CN1607671A (zh) * 2003-10-14 2005-04-20 中国科学院半导体研究所 与cmos工艺兼容的硅光电探测器及制作方法
CN1918713A (zh) * 2004-02-24 2007-02-21 国际商业机器公司 用于与高速CMOS兼容的绝缘体上Ge光电探测器的结构及其制造方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5941877A (ja) 1982-08-31 1984-03-08 Junichi Nishizawa フオトトランジスタ
JPS6424473A (en) * 1987-07-20 1989-01-26 Shimadzu Corp Photodiode
JPH03244164A (ja) * 1990-02-22 1991-10-30 Nec Corp 半導体受光素子
JP2001320077A (ja) 2000-05-10 2001-11-16 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体受光器
JP4157698B2 (ja) * 2001-11-26 2008-10-01 ユーディナデバイス株式会社 半導体受光素子およびその駆動方法
US6822295B2 (en) * 2002-07-30 2004-11-23 Honeywell International Inc. Overvoltage protection device using pin diodes
JP2005223022A (ja) 2004-02-03 2005-08-18 Ntt Electornics Corp アバランシ・フォトダイオード
US7209623B2 (en) * 2005-05-03 2007-04-24 Intel Corporation Semiconductor waveguide-based avalanche photodetector with separate absorption and multiplication regions
US7910822B1 (en) * 2005-10-17 2011-03-22 Solaria Corporation Fabrication process for photovoltaic cell
US20070152289A1 (en) * 2005-12-30 2007-07-05 Morse Michael T Avalanche photodetector with reflector-based responsivity enhancement
US7683397B2 (en) * 2006-07-20 2010-03-23 Intel Corporation Semi-planar avalanche photodiode

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5838708A (en) * 1994-10-31 1998-11-17 Hewlett-Packard Company Integration of surface emitting laser and photodiode for monitoring power output of surface emitting laser
CN1607671A (zh) * 2003-10-14 2005-04-20 中国科学院半导体研究所 与cmos工艺兼容的硅光电探测器及制作方法
CN1918713A (zh) * 2004-02-24 2007-02-21 国际商业机器公司 用于与高速CMOS兼容的绝缘体上Ge光电探测器的结构及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP5655153B2 (ja) 2015-01-14
US8461624B2 (en) 2013-06-11
US20120126286A1 (en) 2012-05-24
TW201240125A (en) 2012-10-01
DE112011103857B4 (de) 2024-08-22
TWI453941B (zh) 2014-09-21
US20140077327A1 (en) 2014-03-20
US8723221B2 (en) 2014-05-13
JP2013541860A (ja) 2013-11-14
DE112011103857T5 (de) 2013-11-07
CN103262264A (zh) 2013-08-21
WO2012071219A1 (en) 2012-05-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103262264B (zh) 单片三端子光电检测器
CN100446264C (zh) 制作和cmos电路集成在一起的异质结光电二极管的方法
US7129488B2 (en) Surface-normal optical path structure for infrared photodetection
US9640616B2 (en) Superlattice materials and applications
US9570647B2 (en) Avalanche photodiode detector
US9806112B1 (en) Electrostatic discharge guard structure
US5793060A (en) SOI Optical semiconductor device
KR101891150B1 (ko) 저전압 광검출기
US7535033B2 (en) Multicolor photodiode array and method of manufacturing
US9425341B2 (en) P-I-N photodiode with dopant diffusion barrier layer
US20050255649A1 (en) Method of fabricating heterojunction devices integrated with CMOS
US20190019903A1 (en) SILICON WAVEGUIDE INTEGRATED WITH SILICON-GERMANIUM (Si-Ge) AVALANCHE PHOTODIODE DETECTOR
KR100977199B1 (ko) 증가된 청색광 감도를 가지는 광감지 소자 및 그 제조 방법
CA2873841C (en) Planar avalanche photodiode
US7115910B2 (en) Multicolor photodiode array and method of manufacturing thereof
US20150084143A1 (en) Waveguide-coupled msm-type photodiode
US6008506A (en) SOI optical semiconductor device
US8963274B2 (en) Epitaxial structure for vertically integrated charge transfer gate technology in optoelectronic materials
US11967664B2 (en) Photodiodes with serpentine shaped electrical junction
Wang et al. Investigation of high-speed Si photodetectors in standard CMOS technology
JPH06224459A (ja) 受光素子
CN115101612A (zh) 一种硅基双重多量子阱的高速pin探测器
Kim et al. Lateral conduction infrared photodetector

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant