CN104157718A - 一种高速硅基光探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SiGe HBT(锗硅异质结双极性晶体管)的硅基光探测器。在一个实施例中，硅基光探测器包括一个埋入N型掺杂(NBL)与一个位于其上的近本征掺杂的P型区(Collector区)，以及一个位于Collector区上的SiGe单晶层(基区)。所述SiGe单晶层为P掺杂。所述Collector区为光探测器的有源区，入射光子在此产生光生载流子，被反向偏置的由所述P型SiGe单晶、本征型Collector区和NBL区组成的PIN管所收集，在外电路中形成光电流。在另一个实施例中，在所述P型SiGe单晶层上方生长N型掺杂的多晶硅，类似于HBT中的发射极(emitter)。在其它实施例中，所述emitter层，由在P型SiGe单晶区上继续生长的N型SiGe单晶构成。
Description
技术领域
本发明涉及一种光探测器，尤其是一种基于硅基材料和工艺的光探测器。
背景技术
硅基光探测器通常用在各类光敏器件，例如光敏二极管和三极管，这些器件对可见光和短波长红外光敏感，被广泛地应用于自动控制、成像器件、和光学编码等领域。但这些传统的硅基光探测器的响应速度一般较慢，无法适用于光通信领域。
响应速度慢的主要原因，来源于硅材料对短波长红外光的吸收长度较长，因此要求光敏二级管的有源区较长，导致光生载流子渡越时间过长。
此外，为提高光电转换效率所需要的特殊工艺要求，使得硅基光探测器并不总是可以和硅基电子回路单片集成。
发明内容
本发明的目的在于提出一种新的硅基光探测器结构，以解决传统硅基光探测器光电转换速度慢的问题。同时，通过锗硅单晶层的引入和异质结三极管探测器结构的提出，在增加光电响应率的同时，提供响应速度。
本发明通过下述技术方案予以实现：
一种硅基光探测器，包括：
一个埋入硅衬底的掺杂区；
一个在所述埋入硅衬底的掺杂区之上的本征区；
一个在所述本征区之上的第一锗硅单晶层；
所述第一锗硅单晶层的掺杂类型和埋入硅衬底的掺杂区的掺杂类型相反；
所述的硅基光探测器器，其中所述本征区为轻微掺杂，掺杂类型和所述第一锗硅单晶层相同。
所述的硅基光探测器，还包括：
一个位于所述第一锗硅单晶层上的多晶硅层，所述多晶硅层的掺杂类型和所述第一锗硅单晶层的掺杂类型相反。
所述的硅基光探测器，其中，所述多晶硅层的金属电极接触只占其总面积的一小部分，以便让入射光信号通过。
所述的硅基光探测器，其中，所述多晶硅层为N型掺杂，所述第一锗硅单晶层为P型掺杂，所述本征区为轻微P型掺杂，所述埋入硅衬底的掺杂区为N型掺杂，所述多晶硅层、第一锗硅单晶层、本征区、和埋入硅衬底的掺杂区构成NPN型双极性晶体管。
硅基光探测器，还包括：
一个位于所述第一锗硅单晶层上的第二锗硅单晶层，所述第二锗硅单晶层的掺杂类型和所述第一锗硅单晶层的掺杂类型相反。
硅基光探测器，其中，所述第二锗硅单晶层为N型掺杂，所述第一锗硅单晶层为P型掺杂，所述本征区为轻微P型掺杂，所述埋入硅衬底的掺杂区为N型掺杂。所述第二锗硅单晶层、第一锗硅单晶层、本征区、和埋入硅衬底的掺杂区构成NPN型双极性晶体管。
硅基光探测器，其中：所述第一锗硅单晶层和所述第二锗硅单晶层的组成不同，以提高单晶层生长可达到的厚度。
硅基光探测器，其中，第一锗硅单晶层和第二锗硅单晶层的元素组成此例不同；
硅基光探测器，其中，第一锗硅单晶层和第二锗硅单晶层采用随厚度渐变的元素组成此例；
附图说明
图1是传统硅基光探测器的结构示意图。
图2是传统硅基光探测器冲击响应光电流的示意图。
图3是本发明公开的硅基光探测器的一个实施例的结构示意图。
图4是本发明公开的硅基光探测器的另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例并结合附图对本发明进行详细地说明：
硅基光探测器目前已经大量地应用在成像系统(数字相机)和自动控制领域。图1给出了硅基CMOS工艺中芯片横截面的图示，并标出了几种常被采用的硅基光电二极管的结构。
图1中，P型重掺杂衬底11上面，通过外延生成P型轻掺杂层12，12的厚度为13，一般为10um左右，然后在12上通过离子注入掺杂形成N阱14，没有掺杂的区域则为P阱12，NMOS管在P阱中，由多晶硅栅极17、源漏极N型掺杂区18、和P阱12组成，PMOS管在N阱中，由多晶栅极17、源漏极P型掺杂区15、和N阱14组成。
可以被作为光电探测的二级管，最常用的是N+/P-sub/P+sub19，其光生载流子的有源区为P阱12。图2是光探测二极管19的光电流冲击响应。由图2可见，需要超过100ps的时间，光电流才会完全地体现在外电路中，这说明载流子的渡越时间严重限制了光探测二级管19的响应速度。
解决这个问题的关键在于减少光生载流子所需的渡越距离，也就是光电转换的有源区，但又不太多地牺牲响应率。由于在硅单晶中，对通信用短波长红外光(850nm波长)的吸收长度是20um左右，做到上述效果很有困难。
图3给出了本发明的第一个实施例。图3中，单晶硅衬底9一般有P型轻掺杂，首先通过高能量离子注入在单晶硅衬底9中形成N型埋入掺杂层4，N型埋入掺杂层4的上面是N型轻掺杂区3，N型轻掺杂区3上面是P型锗硅单晶层22，22上面是N型掺杂的多晶硅层1。由此可以看到，这实际上是一个异质结NPN双极型晶体管(HBT)。N型轻掺杂区3是这个HBT的收集区(Collector)，P型锗硅单晶层22是这个HBT的基区(base)，N型掺杂的多晶硅层1是这个HBT的发射区(emitter)。图3中其他的部分，发射区接触电极7，即为HBT的发射极，基区接触电极6，基区引出线2，收集区接触电极5，收集区引出掺杂23，隔离沟槽8和绝缘介质覆盖10。
如图3所示硅基光探测器，光信号从上方摄入，依次序，N型掺杂的多晶硅层1，P型锗硅单晶层22，和N型轻掺杂区3，N型埋入掺杂层4，以及之后的单晶硅衬底9，都会吸收光信号能量。其中，多晶硅层1在这个实施例中很薄，其对光子的吸收可以忽略，而埋入掺杂层4是重掺杂，因此其所产生的光生载流子由于外电场的缺失最终会在本地复合而不会演变为外电路电流，而埋入掺杂层4之后的单晶硅衬底9内产生的光生载流子，由于被埋入掺杂层4隔离，其可能产生的外电路电流不会存在于收集区接触电极5和发射区接触电极7之间。
在图3中，收集区接触电极5和发射区接触电极7之间的光电流，将由在P型锗硅单晶层22和N型轻掺杂区3中的光生载流子贡献。而如前所述，22相当于图3所示HBT的基区，3相当于图3所示HBT的收集区。在图3所示的这个实施例中，锗硅单晶层22的厚度较薄，轻掺杂区3的厚度将是光生载流子的主要渡越距离。本发明的设计，将调整轻掺杂区3的厚度以使渡越时间不超过探测器响应速度的要求。例如，对于响应速度要求大于10GHz时，通常使渡越时间不大于20ps，为此轻掺杂区3的厚度将在2微米左右。
轻掺杂区3的厚度调整，是通过埋入掺杂层4来实现的。也就是说埋入掺杂层4提供了关键的调节本发明规模光探测器响应速度的手段。而锗硅单晶层22的存在，进一步提高了探测器的响应率，即单位入射光信号功率所能产生的光电流大小。因为，锗硅材料对短波长红外光的吸收系数，远大于单晶硅材料。同时，为了提高速度和光电响应效率，轻掺杂区3的掺杂浓度将是非常低的，使得3接近为本征区。
如前所述，图3所示实施例从结构上也是一个异质结晶体管，简称HBT。我们可以称本发明的结构为光控异质结晶体管，简称Opto-HBT。
图3的Opto-HBT是一个NPN型晶体管。我们可以将所有的掺杂类型取反，即N变P和P变N，这样就形成了一个PNP型晶体管。此时，埋入掺杂层4的掺杂类型将变为P型，轻掺杂区3的掺杂类型将变为P，锗硅单晶层的掺杂类型将变为N，多晶硅层1的掺杂类型将变为P。由此，图3就也表达了本发明的另一个实施例，光控PNP型晶体管。
在下面的说明书中，将不再在各个掺杂区和掺杂层前面冠以掺杂类型，例如将直接引用埋入掺杂层4。
图3所是的实施例，光生载流子在基区22(锗硅单晶层)和收集区3(轻掺杂区)中产生，基区的势垒高度随之下降，因此，基区22和发射区1(多晶硅层)之间会形成正向电流，即晶体管中发射区向基区发射电子。这部分发射的电子将被收集区3(轻掺杂区)收集，呈现为外电路电流，这部分电流是通过对光生电流的放大产生的，因此，本发明的光控晶体管将光电转换和放大合二为一。
图3中段射区接触电极7在普通的晶体管中是几乎覆盖整个发射区面积的。但在本发明所公开的硅基光探测器中，发射区接触电极7必须仅覆盖发射区(亦即多晶硅层1)面积的很小部分，以避免对入射光信号的遮挡。一个可以采用的结构，是围绕发射区外围的环形结构。
图4是本发明公开的硅基光探测器的另一个实施例。其结构和图3所示实施例相似，同样也是一个光控晶体管结构，但发射区为锗硅单晶材料。
如图4所示，第一锗硅单晶层24，相当于光控晶体管的基区，第二锗硅单晶层25，相当于光控晶体管的发射区，第一锗硅单晶引出线26，于基区接触电极6相连。其他部分和图3相同。
相比于图3，图4所示的实施例中，由于发射区用锗硅单晶材料代替，避免了可能的对入射光子的无用吸收。因为在图3的实施例中，多晶层1对光子的吸收，会由于光生载流子的迅速复合而转化为热能，是对入射光信号功率的浪费。而在图4中将多晶层1变为第二锗硅单晶层后，这个问题就可以被回避。同时，我们可以增加第一锗硅单晶层24和第二锗硅单晶层25的厚度，以进一步提高本发明的硅基光探测器的效率。
图4中能够的第一锗硅单晶层24和第二锗硅单晶层25的元素组成比例是不同的，他们的元素组成比例和图3中的锗硅单晶层也不同。组成比例的不同，是为了在工艺上形成更厚的单晶层，同时，组成比例的不同，将在基区和发射区形成所需要的电场结构，例如，可以采用随厚度渐变的元素组成比例。
图4所示实施例，通过不同的掺杂类型配比，同样可以构成两种晶体管，亦即NPN HBT和PNP HBT。将两者统一起来的话，本发明所公开的硅基光探测器，其埋入掺杂层4、轻掺杂区3、和发射区1或者25的掺杂类型相同，而基区22或者24的掺杂类型和前面三个区域(4、3、1或者25)的掺杂类型相反。
以上实施方式对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施方式中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种硅基光探测器，包括：
一个埋入硅衬底的掺杂区；
一个在所述埋入硅衬底的掺杂区之上的本征区；
一个在所述本征区之上的第一锗硅单晶层；
所述第一锗硅单晶层的掺杂类型和埋入硅衬底的掺杂区的掺杂类型相反。
2.根据权利要求1所述的硅基光探测器器，其中所述本征区为轻微掺杂，掺杂类型和所述第一锗硅单晶层相同。
3.根据权利要求1所述的硅基光探测器，还包括：
一个位于所述第一锗硅单晶层上的多晶硅层，所述多晶硅层的掺杂类型和所述第一锗硅单晶层的掺杂类型相反。
4.根据权利要求3所述的硅基光探测器，其中，所述多晶硅层的金属电极接触只占其总面积的一小部分，以便让入射光信号通过。
5.根据权利要求3所述的硅基光探测器，其中，所述多晶硅层为N型掺杂，所述第一锗硅单晶层为P型掺杂，所述本征区为轻微P型掺杂，所述埋入硅衬底的掺杂区为N型掺杂，所述多晶硅层、第一锗硅单晶层、本征区、和埋入硅衬底的掺杂区构成NPN型双极性晶体管。
6.根据权利要求1所述的硅基光探测器，还包括：
一个位于所述第一锗硅单晶层上的第二锗硅单晶层，所述第二锗硅单晶层的掺杂类型和所述第一锗硅单晶层的掺杂类型相反。
7.根据权利要求6所述的硅基光探测器，其中，所述第二锗硅单晶层为N型掺杂，所述第一锗硅单晶层为P型掺杂，所述本征区为轻微P型掺杂，所述埋入硅衬底的掺杂区为N型掺杂，所述第二锗硅单晶层、第一锗硅单晶层、本征区、和埋入硅衬底的掺杂区构成NPN型双极性晶体管。
8.根据权利要求6所述的硅基光探测器，其中：所述第一锗硅单晶层和所述第二锗硅单晶层的组成不同，以提高单晶层生长可达到的厚度。
9.根据权利要求6所述的硅基光探测器，其中，第一锗硅单晶层和第二锗硅单晶层的元素组成比例不同。
10.根据权利要求6所述的硅基光探测器，其中，第一锗硅单晶层和第二锗 硅单晶层采用随厚度渐变的元素组成比例。
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