CN105720129A - 高速锗/硅雪崩光电二极管 - Google Patents

高速锗/硅雪崩光电二极管 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高速锗/硅(Ge/Si)雪崩光电二极管，可包括衬底层、设于所述衬底层上的底部接触层、设于所述底部接触层上的缓冲层、设于所述缓冲层上的电场控制层、设于所述电场控制层上的雪崩层、设于所述雪崩层上的电荷层、设于所述电荷层上的吸收层和设于所述吸收层上的顶部接触层。所述电场控制层可用于控制所述雪崩层中的电场。

Description

高速锗/硅雪崩光电二极管
相关专利申请的交叉参考
本发明是要求2014年12月10日提交的申请号为62/124,174的美国临时专利申请的优先权，和2015年12月7日提交的申请号为14/961，675的美国非临时专利申请的优先权，此处其整体被引入用于参考。
技术领域
本发明涉及光电子芯片器件，尤其涉及高速锗/硅雪崩光电二极管。
背景技术
对于工作在25兆比特/秒(25Gb/s)或以上速率的高速雪崩光电二极管，通常需要非常薄的雪崩层，以缩短雪崩建立时间。锗/硅(Ge/Si)雪崩光电二极管(Ge/SiAPD)的现有结构示于图6。然而，当硅雪崩层变得很薄(如，100nm)时，该现有结构往往会遇到一些问题。首先，薄硅层致使耗尽区厚度减小，并导致电容增加，从而增加RC时间，并降低了该光电二极管的带宽。其次，薄本征硅雪崩层会被n+底部硅接触层极大地影响。硅材料不同于III-V族材料，并在温度300K下具有相对高的态密度(2.9x1019/cm3)，其意味着需要重掺杂的硅(如1x1019/cm3)，以形成欧姆接触。另一方面，本征硅雪崩层应该具有很低的参杂浓度(如1x1015/cm3)，以在雪崩层内产生均匀电场。在外延生长期间，在本征硅(i-Si)层与重n+掺杂硅(n+Si)层之间存在的巨大浓度差往往导致载流子扩散或自掺杂效应，这些将影响雪崩层中的载流子分布，从而影响耗尽区的厚度，并影响电场分布，如图7所示。
发明内容
以下内容仅为说明性的，并不旨在以任何方式限制。即，以下提供的内容用于介绍此处描述的新颖和非显而易见的技术的概念、要点、效果和优点。在下面进一步详细描述优选实施例。因此，以下内容既不旨在确定要求权利的主题的基本特征，也不旨在用于确定要求权利的主题的范围。
一方面，本发明提供一种光电子器件，所述器件可包括锗/硅雪崩光电二极管。所述锗/硅雪崩光电二极管可包括设于衬底层上的底部接触层、设于所述底部接触层上的缓冲层、设于所述缓冲层上的电场控制层、设于所述电场控制层上的雪崩层、设于所述雪崩层上的电荷层、设于所述电荷层上的吸收层和设于所述吸收层上的顶部接触层。所述电场控制层可用于控制所述雪崩层中的电场。
附图的简要说明
附图用于提供对本发明的进一步理解，并被并入作为本说明书的一部分。附图示出本发明的实施例并与文字描述一起用于解释本发明的原理。附图可不必是成比例的，以便更好地描述图示主题的特定特征。
图1是根据本发明一个实施例的锗/硅雪崩光电二极管结构截面图。
图2是根据本发明另一个实施例的锗/硅雪崩光电二极管结构截面图、及其掺杂浓度和电场。
图3是根据本发明又一个实施例的锗/硅雪崩光电二极管结构截面图。
图4是根据本发明另一个实施例的锗/硅雪崩光电二极管制造工艺流程图。
图5是根据本发明另一个实施例的锗/硅雪崩光电二极管的扩散电阻分布的测量结果图。
图6是现有的锗/硅雪崩光电二极管结构截面图、它的掺杂浓度和电场。
图7是现有的另一锗/硅雪崩光电二极管结构截面图、它的掺杂浓度和电场。
具体实施方式
本发明提供新颖的锗/硅雪崩光电二极管(Ge/SiAPD)结构的各种实施例，解决上述与现有的Ge/SiAPD设计相关的问题。
图1根据本发明一个实施例示出了Ge/SiAPD结构100。参考图1，Ge/SiAPD结构100可包括衬底层105、底部接触层110、缓冲层120、电场控制层130、雪崩层140、电荷层150、吸收层160和顶部接触层170。衬底层105可从体硅晶圆或绝缘体上硅(SOI)晶圆制备。底部接触层110可为重n-掺杂(n+)硅接触层。缓冲层120可为本征硅(i-Si)缓冲层。电场控制层130可为n-掺杂硅电场控制层，用于控制雪崩层140中的电场分布。雪崩层140可为本征硅(i-Si)雪崩层。电荷层150可为p-掺杂硅电荷层。吸收层160可为锗吸收层，可包括锗、锗锡、锗硅、锗锡硅或一个或多个其他III-V族复合半导体材料。顶部接触层170可为重p-掺杂(p+)非晶硅(a-Si)接触层。在一些实施例中，电场控制层130可由载流子耗尽的电场控制层形成。
图2根据本发明另一个实施例示出了Ge/SiAPD结构200、它的掺杂浓度分布270和电场分布280。Ge/SiAPD结构200可为Ge/SiAPD结构100的变形。参考图2，Ge/SiAPD结构200可包括衬底层205、底部接触层210、缓冲层215、电场控制层220、雪崩层230、电荷层240、吸收层250和顶部接触层260。衬底层205可从体硅晶圆或绝缘体上硅(SOI)晶圆制备。底部接触层210可为重n-掺杂(n+)硅接触层。电场控制层220可为n-掺杂硅电场控制层，用于控制雪崩层230中的电场分布。雪崩层230可为本征硅(i-Si)雪崩层。电荷层240可为p-掺杂硅电荷层。吸收层250可为锗吸收层，可包括锗、锗锡、锗硅、锗锡硅或一个或多个其他III-V族复合半导体材料。顶部接触层260可为重p-掺杂(p+)非晶硅(a-Si)接触层。在一些实施例中，电场控制层220可由载流子耗尽的电场控制层形成。
在本设计中，相较于Ge/SiAPD结构100，Ge/SiAPD结构200还可包括本征硅(i-Si)缓冲层215，其可由电场控制层220形成改进的n-掺杂硅电场控制层。在工作电压下，n-Si电场控制层220被完全耗尽，且i-Si缓冲层215却只是部分被耗尽。相应地，来自底部的载流子扩散只影响i-Si缓冲层215，而不影响雪崩层230。
在一些实施例中，i-Si缓冲层215的总厚度可由电子渡越时间(electrontransittime)确定,或者对应于电子渡越时间。在一些实施例中，i-Si缓冲层215中的电子渡越时间可小于或等于n-Si电场控制层220、i-Si雪崩层230、p-掺杂硅电荷层240和锗吸收层250中的空穴传输的总渡越时间。
图3根据本发明又一个实施例示出了Ge/SiAPD结构300。Ge/SiAPD结构300可为Ge/SiAPD结构100和Ge/SiAPD结构200的变形。参考图3，Ge/SiAPD结构300可包括衬底310、电场控制和缓冲层、雪崩倍增层340、电荷层、吸收层370和顶部接触层380。衬底310可为从体硅晶圆制备的硅衬底，或从绝缘体上硅(SOI)晶圆制备的SOI衬底。电场控制和缓冲层可用于控制倍增层340中的电场分布。倍增层340可为本征硅(i-Si)雪崩层。电荷层可为p-掺杂硅(p-Si)电荷层。吸收层370可为锗吸收层。顶部接触层380可为重p-掺杂(p+)非晶硅(a-Si)接触层。在一些实施例中，电场控制层可由载流子耗尽的电场控制层形成。
在一些实施例中，在一些情况下，Ge/SiAPD结构300的掺杂浓度可以具有垂直分布和横向分布。例如，可在电场控制和缓冲层的中心区掺杂，中心区被环绕区330包围。环绕区330可保持较低的本征浓度。电场控制和缓冲层的中心区可为光信号的有源/敏感区。在一些实施例中，类似于Ge/SiAPD结构200，并如图3所示，Ge/SiAPD结构300的电场控制和缓冲层的中心区至少可包括本征硅(i-Si)缓冲层320和n-掺杂硅(n-Si)电场控制层325。
在一些实施例中，电荷层可包括中心区350和包围中心区350的环绕区360。环绕区360中的p-掺杂浓度可高于中心区350中的p-掺杂浓度。
在一些实施例中，i-Si雪崩倍增层340的厚度范围可大约为50nm～200nm，具有掺杂浓度小于或等于5x1016/cm3。在一些实施例中，p-Si电荷层的厚度范围为大约30nm～150nm，具有掺杂浓度1x1017/cm3～5x1018/cm3。在一些实施例中，电场控制层的厚度范围是大约50nm～400nm，具有掺杂浓度5x1016/cm3～3x1018/cm3。在一些实施例中，i-Si缓冲层的厚度可大约为100nm～600nm。
在一些实施例中，吸收层370可包括锗、锗锡、锗硅、锗锡硅或一个或多个其他III-V族复合半导体材料。
Ge/SiAPD结构100、Ge/SiAPD结构200和Ge/SiAPD结构300中的每个可在一种器件中实现。在一些实施例中，一种器件可为表面入射型结构的器件或波导型(侧面入射型)结构的器件。
图4根据本发明另一个实施例示出了Ge/SiAPD的制造工艺400。例如，工艺400可用于制造Ge/SiAPD结构100、Ge/SiAPD结构200和Ge/SiAPD结构300。工艺400可包括一个或多个如一个或多个方框410-490所示的操作、作用或功能。虽然由分离的方框说明，但工艺400的各方框可被分成另外的方框，组合成更少的方框，或去除，取决于期望的实施例。方框可按图4中示出的顺序或其他任何顺序执行，取决于期望的实施例。
在410，工艺400可包括准备体硅晶圆或绝缘体上硅(SOI)晶圆。
在420，工艺400可包括用n-型离子注入形成n+底部接触层。
在430，工艺400可包括在底部接触层上沉积本征硅层，以形成本征硅(i-Si)缓冲层。
在440，工艺400可包括用n-型离子注入本征硅缓冲层的一部分，以形成n-掺杂的电场控制层。
在450，工艺400可包括在电场控制层上沉积本征硅层，以形成雪崩倍增层。在460，工艺400可包括用p-型离子注入雪崩倍增层的一部分，以形成p-型电荷层和p-型电场控制层。
在470，工艺400可包括在电荷层上沉积本征锗层，以形成吸收层。
在480，工艺400可包括在吸收层上沉积本征非晶硅层。
在490，工艺400可包括用p-型离子注入本征非晶硅层，以形成重p-掺杂(p+)的顶部接触层。
图5根据本发明另一个实施例示出了Ge/SiAPD的扩散电阻法(Spreadingresistanceprofile,SRP)的测量结果图500。参考图5，对小于0.07um的深度，测得的SRP是i-Si雪崩层的SRP。对0.07um-0.17um之间的深度，测得的SRP是n-Si电场控制层的SRP。对0.17um-0.6um之间的深度，测得的SRP是自掺杂和自由载流子扩散之后i-Si缓冲层的SRP。对0.6um-0.9um之间的深度，测得的SRP是n+底部接触层的SRP。
特征要点
据此，本发明的各实施例的优选特征列示如下。
一方面，本发明提供一种器件，所述器件可包括Ge/Si雪崩光电二极管。所述Ge/Si雪崩光电二极管可包括底部接触层、设于所述底部接触层上的缓冲层、设于所述缓冲层上的电场控制层、设于所述电场控制层上的雪崩层、设于所述雪崩层上的电荷层、设于所述电荷层上的吸收层和设于所述吸收层上的顶部接触层。所述电场控制层可用于控制所述雪崩层中的电场。
在一些实施例中，所述底部接触层可包括由n-型重掺杂的硅接触层。所述缓冲层可包括无意识掺杂的本征硅层。所述电场控制层可包括由n-型掺杂的硅电场控制层。所述雪崩层可包括本征硅雪崩层。所述电荷层可包括由p-型掺杂的硅电荷层。所述吸收层可包括锗吸收层。所述顶部接触层可包括由p-型重掺杂的非晶硅接触层。
在一些实施例中，所述电场控制层可包括耗尽的电场控制层。
在一些实施例中，所述本征硅缓冲层的厚度可大约为100nm～600nm。
在一些实施例中，所述本征硅缓冲层的总厚度可相当于所述缓冲层中的电子渡越时间。在一些实施例中，缓冲层中的电子渡越时间可小于或等于所述n型电场控制层、雪崩层、电荷层和吸收层中的空穴传输的总渡越时间。
在一些实施例中，所述电场控制层可包括第一中心区和包围所述第一中心区的第一环绕区。所述第一中心区可被掺杂，并可作为用于光信号的有源区起作用。所述第一环绕区可为本征的。在一些实施例中，所述第一中心区可由n-型掺杂。
在一些实施例中，所述电荷层可包括第二中心区和包围所述第二中心区的第二环绕区。所述第二环绕区的掺杂浓度可大于所述第二中心区的掺杂浓度。在一些实施例中，所述第二中心区和所述第二环绕区可由p-型掺杂。
在一些实施例中，所述雪崩层的厚度可大约为50nm～250nm。
在一些实施例中，所述雪崩层的掺杂浓度可小于或等于5x1016/cm3。
在一些实施例中，所述电荷层的厚度可大约为30nm～150nm。
在一些实施例中，所述电荷层的掺杂浓度可大约为1x1017/cm3～5x1018/cm3。
在一些实施例中，所述电场控制层的厚度可大约为50nm～400nm。
在一些实施例中，所述电场控制层的掺杂浓度可大约为5x1016/cm3～3x1018/cm3。
在一些实施例中，所述缓冲层的厚度可大约为100nm～600nm。
在一些实施例中，所述缓冲层的掺杂浓度可大约为1x1015/cm3～1x1019/cm3。
在一些实施例中，所述Ge/Si雪崩光电二极管可包括表面入射型结构的器件。或者，所述Ge/Si雪崩光电二极管可包括波导型(侧面入射型)结构的器件。
在一些实施例中，所述吸收层可包括锗、锗锡、锗硅、锗锡硅或一个或多个其他III-V族复合半导体材料。
附加说明
虽然上面公开了一些实施例，但它们并非旨在限制本发明的范围。对本领域的技术人员显而易见的是，在不脱离本发明原则的情况下，可对本发明已公开的实施例进行各种修改和替换。基于以上所述，本发明的范围应由后面的权利要求和其对等内容限定。

Claims (20)

1.一种器件，其特征在于，包括：
Ge/Si雪崩光电二极管；所述Ge/Si雪崩光电二极管包括：
衬底层；
设于衬底上的底部接触层；
设于所述底部接触层上的缓冲层；
设于所述缓冲层上的电场控制层；
设于所述电场控制层上的雪崩层；
设于所述雪崩层上的电荷层；
设于所述电荷层上的吸收层；和
设于所述吸收层上的顶部接触层；
其中，所述电场控制层为用于控制所述雪崩层中的电场分布。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述衬底层由体硅晶圆或者绝缘体上硅(SOI)晶圆制备，所述底部接触层包括由n-型重掺杂的硅接触层，所述缓冲层包括无意识掺杂的本征硅层，所述电场控制层包括由n-型掺杂的硅电场控制层，所述雪崩层包括本征硅雪崩层，所述电荷层包括由p-型掺杂的硅电荷层，所述吸收层包括锗吸收层，所述顶部接触层包括由p-型重掺杂的非晶硅接触层。
3.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电场控制层包括载流子耗尽的电场控制层。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述缓冲层的总厚度相当于所述缓冲层中的电子渡越时间。
5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述缓冲层中的电子渡越时间小于或等于所述n型电场控制层、所述雪崩层、所述电荷层和所述吸收层中的空穴传输的总渡越时间。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电场控制层包括第一中心区和包围所述第一中心区的第一环绕区，所述第一中心区被掺杂，并用作光信号的有源区，所述第一环绕区为本征的。
7.根据权利要求6所述的器件，其特征在于，所述第一中心区由n-型掺杂。
8.根据权利要求6所述的器件，其特征在于，所述电荷层包括第二中心区和包围所述第二中心区的第二环绕区，所述第二环绕区的掺杂浓度大于所述第二中心区的掺杂浓度。
9.根据权利要求8所述的器件，其特征在于，所述第二中心区和所述第二环绕区由p-型掺杂。
10.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述雪崩层的厚度大约为50nm～250nm。
11.根据权利要求10所述的器件，其特征在于，所述雪崩层的掺杂浓度小于或等于5x1016/cm3。
12.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电荷层的厚度大约为30nm～150nm。
13.根据权利要求12所述的器件，其特征在于，所述电荷层的掺杂浓度大约为1x1017/cm3～5x1018/cm3。
14.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述电场控制层的厚度大约为50nm～400nm。
15.根据权利要求14所述的器件，其特征在于，所述电场控制层的掺杂浓度大约为5x1016/cm3～3x1018/cm3。
16.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述缓冲层的厚度范围大约为100nm～600nm。
17.根据权利要求16所述的器件，其特征在于，所述缓冲层的掺杂浓度大约为1x1015/cm3～1x1019/cm3。
18.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述Ge/Si雪崩光电二极管包括表面入射型结构的器件。
19.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述Ge/Si雪崩光电二极管包括波导型结构的器件。
20.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述吸收层包锗、锗锡、锗硅、锗锡硅或一个或多个其他III-V族复合半导体材料。
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