CN107615495B - 光接收元件和光学集成电路 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的光接收元件(10)包括：半导体层(100)，所述半导体层(100)包括p型半导体区域(101)、n型半导体区域(102)和倍增区域(103)；以及在所述倍增区域上形成的p型光吸收层(104)。所述p型半导体区域和所述n型半导体区域形成为沿所述半导体层的平面方向将所述倍增区域夹在中间。这允许通过单片制造工艺容易地实现用作雪崩光电二极管的光接收元件。

Description

光接收元件和光学集成电路
技术领域
本发明涉及将光学信号转换成电信号的光接收元件和包括该光接收元件的光学集成电路，并且涉及例如充分利用作为雪崩光电二极管的功能的光接收元件。
背景技术
光学通信中的普通光学接收器通常由光接收元件和对由光接收元件产生的光电流进行放大的跨阻放大器(以下也称作“TIA”)形成。
在光学接收器中使用的光接收元件的示例是光电二极管(以下也称为“PD”)和雪崩光电二极管(以下也称为“APD”)。
PD具有将入射光转换为电流的功能。PD的光电转换效率的上限为作为量子效率的100％。作为PD，除了由诸如InGaAs的III-V族化合物半导体构成的一般元素之外，还已知单向移动载流子光电二极管(UTC-PD)(参见例如非专利文献1)。
另一方面，APD是具有如下功能的光接收元件：通过在高电场下加速光电子来使在元件中产生的光电子撞击晶格，并因此使光电子离化，从而放大载流子。APD可以输出与一个光子对应的多个载流子，并因此获得高于量子转换效率的100％的灵敏度。因此，APD广泛用于高灵敏度的光学接收器(参见例如非专利文献2)。
近年来，为了使光学接收器小型化和降低光学接收器的成本的目的，将包含光学复用器、光学解复用器、光接收元件、TIA等在内的光学波导集成到单一IC芯片的单片集成化的研究和开发引起了人们的注意。特别地，共享硅(Si)基IC和制造工艺以及制造诸如光接收元件的光学有源元件的“硅光子学”已被广泛地研究和开发(参见例如非专利文献3)。
通过将硅光子学技术应用于光学接收器，可以在硅(Si)或SOI(绝缘体上硅)上一起集成和形成光接收元件和CMOS(互补金属氧化物半导体)电路。因此，可以在光学接收器的批量生产率、制造工艺的稳定性、封装和检查方面减小成本。
近年来，在硅光子学的光学接收器的研究和开发中，使用了在硅衬底上执行锗(Ge)(所述锗在1.3μm的频带具有灵敏度并且晶格常数相对于硅具有相对小的差异)的晶体生长的方法；在InP衬底上生长InGaAs(所述InGaAs用作光吸收层)、通过例如键合将InGaAs转移到Si衬底上的的方法等等。为了改善光接收元件的灵敏度，还研究和开发了包括由硅(Si)制成的倍增层的APD。
作为硅光子学的APD，已知具有在Si或SOI衬底上堆叠光吸收层、并且在与堆叠方向平行的方向上施加电压并且进行光注入的结构的“垂直入射型”APD或者“正常入射型”APD。
除了上述APD之外，还已知一种硅光子学的波导型APD。波导型APD具有能够集成光学波导和光接收单元的特征，并且在实施时不需要使用空间光学系统。作为波导型APD，例如非专利文献4公开了一种APD，其通过在Si衬底中形成波导来加速光吸收并且向波导中注入缺陷，并且仅由用于在波导中施加电场并倍增它的材料Si组成来改善器件的集成度。
非专利文献5公开了一种波导型APD，其中在具有Ge光吸收层和Si倍增层功能的每个波导中提供接触层，并且使用消逝场耦合用于Ge光吸收层和波导之间的光耦合。
相关技术文献
非专利文献(NPL)
非专利文献1：T.Ishibashi等人的“Uni-Traveling-Carrier Photodiodes”，proceedings of Ultrafast Electronics and Optoelectronics，Vol.13，OpticalSociety of America，1997。
非专利文献2：J.C.Campbell的“Recent Advances in TelecommunicationsAvalanche Photodiodes”，IEEE JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY，vol.25，no.1，2007年1月。
非专利文献3：B.Jalali等人的“Silicon Photonics"，IEEE JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY，Vol.24，No.12，2006年12月。
非专利文献4：J.J.Ackert等人的“10Gbps silicon waveguide-integratedinfrared avalanche photodiode”，OPTICS EXPRESS，Vol.21，19530，2013年8月。
非专利文献5：N.Duan等人的“High Speed Waveguide-Integrated Ge/SiAvalanche Photodetector”，proceedings of OFC/NFOEC Technical Digest，OSA，2013。
发明内容
本发明解决的问题
然而，上述常规的APD具有以下问题。
例如，垂直入射型APD匹配CMOS工艺，但层布置复杂。因此需要增加大量的工时，从而使制造工艺复杂化。由于光耦合效率或光吸收层的光学吸收系数的问题，波导型APD具有较低的灵敏度，并且由于施加到Si倍增层的电场的不均匀性，不能同时实现高增益性能和频带性能，从而限制了操作速度的增加。
也就是说，当将垂直入射结构应用于APD时，可以提高灵敏度并提高速度，但APD的制造工艺更复杂的问题变得明显。当将波导结构应用于APD时，通过根据CMOS IC的制造工艺制造APD，可以相对容易地实现与CMOS IC的高密度集成，但是作为APD的功能问题即高灵敏度性能和高速性能方面的不足之处变得明显。
考虑到上述问题而做出了本发明，并且本发明的目的是通过单片制造工艺容易地实现用作APD的光接收元件。
解决问题的方法
根据本发明，提供了一种光接收元件，所述光接收元件包括：包括p型半导体区域、n型半导体区域和倍增区域在内的半导体层；以及在所述倍增区域上形成的p型光吸收层，其中所述p型半导体区域和所述n型半导体区域形成为沿所述半导体层的平面方向将所述倍增区域夹在中间。
本发明的效果
根据本发明，可以通过单片制造工艺容易地实现用作APD的光接收元件。
附图说明
图1是示意性示出根据第一实施例的光接收元件的截面图；
图2是用于解释根据第一实施例的光接收元件的操作原理的视图；
图3是示意性示出根据第二实施例的光接收元件的截面图；
图4是示出沿根据第二实施例的光接收元件的各层的堆叠方向的带隙能量的变化的能带图；
图5是示意性示出根据第三实施例的光接收元件的截面图；
图6是示出沿根据第三实施例的光接收元件的各层的堆叠方向的带隙能量的变化的能带图；
图7是示意性示出根据第四实施例的光接收元件的截面图；
图8是示出沿根据第四实施例的光接收元件的各层的堆叠方向的带隙能量的变化的能带图；
图9是示意地示出包括根据本发明的光接收元件和光学波导在内的光学集成电路的平面图；
图10是示意性地示出沿图9的线A-A’得到的光学集成电路的截面图；
图11是示意性地示出沿图9的线B-B’得到的光学集成电路的截面图；以及
图12是示意性示出根据第六实施例的光接收元件的截面图。
具体实施例
1.本发明的光接收元件和光学集成电路的概述
(1)根据本发明，提供了一种光接收元件(10-14)，包括：半导体层(100)，所述半导体层包括p型半导体区域(101)、n型半导体区域(102)和倍增区域(103)；以及在所述倍增区域上形成的p型光吸收层(104；114；124；134)，其中所述p型半导体区域和所述n型半导体区域形成为沿所述半导体层的平面方向将所述倍增区域夹在中间。
(2)在光接收元件(11)中，光吸收层(114)可以具有朝向倍增区域减小的带隙。
(3)光接收元件(12)还可以包括势垒层(107)，所述势垒层在光吸收层上形成，并且具有比光吸收层更高的导带边缘能量。
(4)在光接收元件(13)中，光吸收层(124)可以具有朝向倍增区域减小的p型杂质浓度。
(5)在光接收元件中，倍增区域可以包括Si，光吸收层可以包括GexSi1-x，并且光吸收层可以具有朝向倍增区域增加的GexSi1-x的组成比x。
(6)在光接收元件(11)中，倍增区域可以包括Si，光吸收层(114)可以包括GexSi1-x，并且光吸收层可以具有朝向倍增区域减小的GexSi1-x的组成比x。
(7)在光接收元件(13)中，倍增区域可以包括III-V族化合物半导体，光吸收层(124)可以包括III-V族化合物半导体，并且形成光吸收层的III-V族化合物半导体的组成比可以朝向倍增区域减小。
(8)在光接收元件(14)中，倍增区域可以包括Si，并且光吸收层(134)可以包括III-V族化合物半导体(InGaAs)。
(9)根据本发明，提供了一种光学集成电路(20)，包括：光接收元件(10-14)；芯区(140)，所述芯区形成在半导体层上并且光耦合到光吸收层；以及包层(141)，所述包层形成在芯区上。
此外在以上的说明中，作为一个示例，与本发明相对应的附图中的构成元素由括号内的附图标记表示。
2.实施例
下面将参考附图描述根据本发明的光接收元件和光学集成电路的实施例。
[第一实施例]
图1是示意性示出根据第一实施例的光接收元件的截面图；
图1所示的光接收元件10具有以下结构：光吸收层104堆叠在半导体层100中的p型半导体区域101和n型半导体区域102之间形成的倍增区域103上。
光接收元件10用作APD，其使通过光照射在光吸收层104中产生的并且扩散到倍增区域103中的光电子(通过经由基于在p型半导体区域101与n型半导体区域102之间施加的反向偏置的高电场使光电子加速)碰撞倍增区域103的晶格，并从而使光电子离子化，由此放大载流子。下面将更详细地描述光接收元件10。
如图1所示，光接收元件10包括半导体层100、光吸收层104、电极层106和绝缘层105。
半导体层100包括p型半导体区域101、n型半导体区域102和倍增区域103。例如，硅(Si)衬底或SOI(绝缘体上硅)衬底可以例示为半导体层100。
在半导体层100中形成p型半导体区域101和n型半导体区域102。例如，通过将硼(B)离子注入到用作半导体层100的Si或SOI衬底的表面Si层中来形成p型半导体区域101。例如，通过将砷(As)离子注入到用作半导体层100的Si或SOI衬底的表面Si层中来形成n型半导体区域102。
如图1所示，p型半导体区域101和n型半导体区域102形成为沿半导体层100的平面方向(例如，图1中的X方向)将倍增区域103夹在中间。
倍增区域103是用于通过高电场加速光电子从光吸收层104移动来放大载流子的区域。更具体地说，倍增区域103是半导体层100中的未注入用于形成p型半导体区域101或n型半导体区域102的杂质的区域。例如，当半导体层100由Si或SOI衬底形成时，倍增区域103是由Si制成的区域。
在CMOS工艺中，倍增区域103沿X方向的长度(在p型半导体区域101与n型半导体区域102之间沿X方向的距离)适当地可设置在例如20nm至200nm的范围内。
光吸收层104是通过光照射产生电子空穴对的层，并且形成为与半导体层100的倍增区域103接触。光吸收层104由p型半导体材料构成。可以例示Ge作为p型半导体材料。可以例示B作为要注入到光吸收层104中的杂质。
电极层106构成用于将电压分别施加到p型半导体区域101和n型半导体区域102的电极，并且分别形成在半导体层100中的p型半导体区域101和n型半导体区域102上。电极层106由包含例如钨(W)或铜(Cu)作为主要成分的金属材料制成。
绝缘层105用于绝缘光吸收层104和电极层106。绝缘层105由例如氧化硅(例如SiO2)制成。
将简要说明根据该实施例的制造光接收元件10的方法。
首先，在用作半导体层100的Si或SOI衬底的表面Si层中形成p型半导体区域101和n型半导体区域102。更具体地，通过将B注入到Si或SOI衬底的表面Si层中来形成p型半导体区域101，同时通过沿半导体层100的平面方向相对于p型半导体区域101以预定间隔注入As来形成n型半导体区域102。通过例如公知的离子注入法等注入杂质。
这形成了p型半导体区域101和n型半导体区域102，并且在p型半导体区域101和n型半导体区域102之间没有掺杂杂质的区域形成为倍增区域103。
注意：由于在平面图中p型半导体区域101和n型半导体区域102之间的间隔，确保了对于p型半导体区域101和n型半导体区域102之间的区域的足够距离以用作倍增区域103。
接下来，在半导体层100上形成绝缘膜。例如，通过等离子体CVD方法在半导体层100上形成氧化硅层(SiO2)。在氧化硅层中的倍增区域103的上部部分的区域中形成开口。例如，通过众所周知的光刻技术和干法蚀刻技术选择性地去除氧化硅层中的倍增区域103的上部部分的区域。
接下来，通过使用其中已经形成开口的氧化硅层作为选择性生长掩模，在半导体层100中的倍增区域103上选择性地生长Ge来形成光吸收层104。例如，可以通过使用GeH4作为源气的CVD(化学气相沉积)方法，在600℃的衬底温度条件下沉积Ge，在半导体层100中的倍增区域103上选择性地生长Ge。为了释放Si层和Ge光吸收层之间的较大晶格失配，可以在Si层和Ge光吸收层之间生长GexSi1-x。在这种选择性生长中，在选择性生长掩模上没有沉积Ge。
注意：通过与源气一起添加硼化合物(例如B2H6)或通过例如选择性生长Ge之后的离子注入将B作为杂质注入，光吸收层104可以表现为p型导电性。
接下来形成电极层106。通过例如众所周知的光刻技术和干法蚀刻技术选择性地去除在半导体层100中的p型半导体区域101和n型半导体区域102上沉积的氧化硅层(绝缘膜)。然后，通过例如众所周知的剥离方法在p型半导体区域101和n型半导体区域102上形成由包含例如钨(W)或铜(Cu)在内的金属材料制成的电极层106。更具体地，在留下用于选择性去除氧化硅层的抗蚀剂图案并且在半导体层100和抗蚀剂图案上沉积包含W或Cu的金属材料之后，去除抗蚀剂图案。这在p型半导体区域101和n型半导体区域102上形成电极层106。为了沉积W，例如使用公知的蒸发方法。为了沉积Cu，例如使用公知的电镀方法。
每个电极层106和光吸收层104之间的氧化硅层(绝缘膜)用作绝缘层105。
通过执行上述步骤，可以制造根据第一实施例的光接收元件10。
接下来将描述根据第一实施例的作为APD的光接收元件10的操作原理。
图2是用于解释根据第一实施例的光接收元件的操作原理的视图。
当在p型半导体区域101和n型半导体区域102之间施加反向偏置电压，并且在p型半导体区域101和n型半导体区域102之间的倍增区域103的电场强度达到足以进行雪崩倍增的强度时，倍增区域103表现出倍增功能。
另一方面，当光注入到光吸收层104中时，在光吸收层104中产生电子-空穴对，如图2所示。由于光吸收层104掺杂成p型导电性，它是电中性的并且不产生电场。所产生的电子-空穴对通过扩散而在光吸收层104内移动。也就是说，光吸收层104中的电子在扩散过程之后移动到倍增区域103，并且光吸收层104中的空穴在经过介电弛豫时间之后移动到倍增区域103。
当光吸收层104的膜厚度(光吸收层104沿垂直于半导体层100的平面的方向的长度)为大时，在光吸收层104中产生的电子和空穴经过给定的载流子寿命时间之后再次耦合，并且不能到达倍增区域103。另一方面，当光吸收层104的膜厚度做得小以用于波导型光接收元件时，可以使在光吸收层104中产生的电子扩散并移动到倍增区域103，并且在经过介电驰豫时间之后将空穴移动到倍增区域103。因此，在根据本实施例的半导体层100中，光吸收层104的膜厚设定为能够使光吸收层104中产生的电子和空穴扩散并移动到倍增区域103的大小。更具体地，光吸收层104的膜厚设定为约数百nm。这可以将光吸收层104中产生的电子和空穴移动到倍增区域103.也就是说，在根据该实施例的光接收元件10中，光吸收层104中的电子空穴对表现出与单向移动载流子光电二极管(UTC-PD)相同的行为，并且光吸收层104的载流子传输时间由电子支配。
注入到倍增区域103中的电子和空穴通过倍增区域103中的高电场重复雪崩倍增。这将空穴移动到p型半导体区域101并将电子移动到n型半导体区域102，并且因此光接收元件10用作APD。
如上所述，根据第一实施例的光接收元件10具有光吸收层104堆叠在半导体层100中的p型半导体区域101和n型半导体区域102之间形成的倍增区域103上的结构。因此，不需要电场控制层，并且层布置比常规垂直入射型APD等简单。
例如，具有光吸收层和倍增层夹在电极中间的结构的常规垂直入射型APD需要电场控制层来选择性地只向倍增层提供高电场强度。需要将提供给光吸收层的电场抑制到在载流子达到饱和速度时在光吸收层自身中不发生雪崩击穿或齐纳击穿的程度。因此，对于电场控制层要求与光吸收层和倍增层的材料和膜厚度相对应的精细掺杂控制。与此相反，根据第一实施例的光接收元件10不具有光吸收层104夹在电极(p型半导体区域101和n型半导体区域102)中间的结构，与常规APD不同。因此，不需要电场控制层，并且制造工艺比常规垂直入射型APD等的简单。
如上所述，作为根据第一实施例的光接收元件10的制造工艺，可以应用公知的Si/Ge CMOS工艺。
因此，根据第一实施例的光接收元件10可以通过比常规的垂直入射型APD更简单的工艺来制造，并且以高密度与CMOS IC集成。
此外，根据第一实施例的光接收元件10具有这样的以下结构，其中在半导体层100中由p型半导体区域101、倍增区域103和n型半导体区域102形成pin结的方向(图1中的X方向)与在倍增区域103上的光吸收层104的堆叠方向(图1中的Y方向)不同。因此，在p型半导体区域101与n型半导体区域102之间施加电压时的电场几乎仅作用于倍增区域103。这可以均匀地将电场施加到倍增区域103。
由于电场的一部分也取决于半导体层100上的材料的介电常数而作用在光吸收层104上，但光吸收层104被掺杂成p型导电性，因此对于某些电场，光吸收层104保持为电中性。因此，在根据第一实施例的光接收元件10中，原则上几乎不产生到光吸收层104的电场。因此可以抑制光吸收层104的耗尽和APD的操作速度的降低。
因此，与常规的波导型APD不同，在根据第一实施例的光接收元件10中，电场均匀地施加于倍增区域103，并且可以抑制光吸收层104的耗尽。因此，可以确保作为APD的高灵敏度性能和高速性能。例如，通过形成p型半导体区域101和n型半导体区域102，能够实现300GHz以上的高增益带宽乘积(GBP)，使得沿平面方向在p型半导体区域101与n型半导体区域102之间的距离(倍增区域103的宽度)落入约100至500nm的范围内。
如上所述，根据第一实施例的光接收元件10，可以通过单片制造工艺容易地实现用作APD的光接收元件。
另外如上所述，在根据第一实施例的光接收元件10中，光吸收层104掺杂成p型导电性。因此，光吸收层104几乎不产生电场。与使用未掺杂的Ge光吸收层的常规APD相比，可以减少由与Si的晶格失配一起发生的缺陷引起的暗电流，由此有助于提高长期可靠性。
<第二实施例>
图3是示意性示出根据第二实施例的光接收元件的截面图。
图3所示的光接收元件11与根据第一实施例的光接收元件10的不同之处在于：光吸收层的带隙朝向倍增区域减小，但是其余布置与光接收元件10的其余布置相同。在以下描述中，与根据第一实施例的光接收元件10相同的构成元件由相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。
光接收元件11的光吸收层114由例如p型GeSn制成，并且形成为使得带隙朝向倍增区域103减小。例如，光吸收层114的带隙沿与半导体层100的平面垂直的方向(图3中的Y方向)减小。
图4是示出沿根据第二实施例的光接收元件的各层的堆叠方向的带隙能量的变化的能带图。
如图4所示，光接收元件11的光吸收层114的带隙朝向与形成倍增区域103的半导体层的界面连续地或步进地减小。为了实现光吸收层114，例如光吸收层114是由GexSn1-x制成，并且Ge组成比x沿与半导体层100的平面垂直的方向(图3中的Y方向)朝向倍增区域103减小。此外，可以将B例示为要在光吸收层114中掺杂的杂质。
注意：作为制造根据第二实施例的光接收元件11时的工艺，与根据第一实施例的光接收元件10类似，应用公知的Si/Ge CMOS工艺。
根据第二实施例的光接收元件11能够如下以更高的速度操作为APD。
如上所述，光吸收层104中的载流子传输受到电子的扩散速率的限制。如同根据第二实施例的光接收元件11那样，获得了这样的能带结构：通过使光吸收层114的带隙朝向倍增区域103连续地(或步进地)减小，使导带边缘朝向倍增区域103向较低能量侧偏移。因此，光吸收层114中的电子以假象方式感测电场，并且不仅获得扩散而且获得给定漂移效应。这能够进一步缩短光吸收层114中的载流子的行进时间，由此能够预期如APD的更高速的操作。
[第三实施例]
图5是示意性示出根据第三实施例的光接收元件的截面图。
图5所示的光接收元件12与根据第二实施例的光接收元件11的不同之处在于：在光吸收层上形成势垒层，但是其余布置与光接收元件11的其余布置相同。在以下描述中，与根据第二实施例的光接收元件11相同的构成元件由相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。
如图5所示，光接收元件12还包括在光吸收层114上形成并具有比光吸收层的导带边缘能量更高的导带边缘能量的势垒层107。更具体地，势垒层107具有相对于形成光吸收层114的半导体层位于能量较高侧的导带边缘，并且由掺杂为p型导电性的半导体层形成。
图6是示出根据第三实施例的光接收元件12的各层的堆叠方向上的带隙能量的变化的能带图。
如图6所示，相对于形成光吸收层114的半导体层具有位于较高能量侧的导带边缘、并且掺杂为p型导电性的半导体层形成为光吸收层114的表面上的势垒层107。类似于例如根据第二实施例的光接收元件11，光吸收层114由SixGe1-x制成。势垒层107例如由Si制成。可以例示B作为要掺杂在势垒层107中的杂质。
注意，作为制造根据第三实施例的光接收元件12时的工艺，与第一和第二实施例类似，可以应用公知的Si/Ge CMOS工艺。
根据第三实施例的光接收元件12可以如下进一步提高作为APD的灵敏度。
如以上在第二实施例中所述，由于光吸收层114的带隙朝向与形成倍增区域103的半导体层的界面连续地或步进地减小，光吸收层114中的载流子传输受到扩散速率和电子漂移速度的限制。此时，通过光注入到光吸收层114中产生的所有电子理想地移动到倍增区域103。然而，电子可以沿与倍增区域103相反的方向(与图5中的方向Y相反的方向)扩散。特别地，因为光吸收层114掺杂为p型导电性，所以除非执行特定的钝化，可以发生电子泄漏到光吸收层114的表面侧(沿与Y方向相反的方向)的能带弯曲，从而减小光电转换效率。
为了解决这个问题，通过在光吸收层114的表面上形成作为势垒层107的半导体层(所述半导体层具有相对于光吸收层114位于较高能量侧的导带边缘并且掺杂为p型导电性)，像根据第三实施例的光接收元件12那样，可以抑制向光吸收层114的表面侧(与Y方向相反的方向)的电子扩散。这可以改进光吸收层114中的量子效率，从而提高了作为APD的灵敏度。
光吸收层114和势垒层107之间的导带边缘的偏移理想地等于或大于30meV。假定光接收元件12在室温下工作，可以通过热能抑制电子与光吸收层114和势垒层107之间的导带边缘的偏移交叉，从而进一步有助于灵敏度的提高。
[第四实施例]
图7是示意性示出根据第四实施例的光接收元件的截面图。
图7所示的光接收元件13与根据第三实施例的光接收元件12的不同之处在于：p型光吸收层的杂质浓度朝向倍增区域103减小，并且光接收元件的半导体层(衬底)由III-V族化合物半导体制成，但是其余布置与光接收元件12的其余结构相同。在以下描述中，与根据第三实施例的光接收元件12相同的构成元件由相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。
在光接收元件13中，半导体层100由III-V族化合物半导体制成。例如，半导体层100是InP衬底，并且倍增区域103是InP衬底的不掺杂杂质的区域。例如，通过将锌(Zn)作为杂质离子注入到由InP衬底形成的半导体层100中来形成p型半导体区域101。例如，通过将Si作为杂质离子注入到由InP衬底形成的半导体层100中来形成n型半导体区域102。
当半导体层100是InP衬底时，倍增区域103沿X方向的长度(在p型半导体区域101与n型半导体区域102之间沿X方向的距离)适当地可设置在例如100nm至200nm的范围内。
电极层106由包含例如钛(Ti)或金(Au)作为主要成分的金属材料制成。势垒层107由例如InAlAs制成。
光吸收层124由III-V族化合物半导体构成。光吸收层124形成为使得带隙朝向倍增区域103连续地或步进地减小，并且p型杂质浓度朝向倍增区域103减小。下面将参考图8来详细描述光吸收层124。
图8是示出沿根据第四实施例的光接收元件的各层的堆叠方向的带隙能量的变化的能带图。
例如，光吸收层124由InAlGaAs制成，并且InAlGaAs的“Al”组成比沿与半导体层100的平面垂直的方向(Y方向)减小。如图8所示，这可以朝向倍增区域103连续地或步进地减小光吸收层124的带隙，类似于根据第二实施例的光接收元件11等。
光吸收层124的杂质掺杂浓度朝向倍增区域103减小。更具体地，杂质掺杂浓度在光吸收层124中的与倍增区域103的界面附近在例如1020至1018cm-3的范围内减小。因为这有效地引起光吸收层124和倍增区域103之间的界面附近的能带弯曲，如图8所示，光吸收层124中的电子朝向倍增区域103加速，并且可以预期作为APD的高速操作。
可以例示铍(Be)或锌(Zn)作为要掺杂到光吸收层104中的杂质。
注意：由于p型半导体区域101和n型半导体区域102之间的电场的一部分到达光吸收层124，所以如图7所示，当光吸收层124的杂质掺杂浓度变为低时，可以在光吸收层124中发生部分耗尽，并且可以抑制通过介电弛豫将空穴注入到倍增区域103中。为了防止这种情况，光吸收层124期望确保杂质掺杂浓度，使得当作为APD操作时在光吸收层124中不会发生部分耗尽。
<第五实施例>
图9是示意地示出包括根据本发明的光接收元件和光学波导在内的光学集成电路的平面图。
图10是示意性地示出沿图9的线A-A’得到的光学集成电路的截面图。图11是示意性地示出沿图9的线B-B’得到的光学集成电路的截面图。
通过单片制造工艺在半导体层(衬底)100上形成根据本发明的光接收元件和光学波导而获得如图9至图11所示的光学集成电路20。
更具体地，光学集成电路20包括光接收元件12、光耦合到光接收元件12的光吸收层114的芯区140以及在芯区140上形成的包层141。
注意：根据第三实施例的光接收元件12示出为在图9至图11中所示的光学集成电路20的光接收元件的示例。然而，本发明不局限于此。可以采用根据第一、第二和第四实施例的任何一个光接收元件10、11和13。在以下描述中，与根据第三实施例的光接收元件12相同的构成元件由相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。
如图9和图10所示，光接收元件12形成在半导体层100上。例如，具有倍增区域103的半导体层100是Si或SOI衬底，通过将B离子注入到半导体层100中来形成p型半导体区域101，并且通过将As离子注入到半导体层100中形成n型半导体区域102。光吸收层114由p型SixGe1-x制成，并且电极层106由包含W或Cu作为主要成分的金属材料制成。
如图9和图11所示，芯区140形成在半导体层100上。芯区140由例如SiN制成。此外，包层141形成在半导体层100上以覆盖芯区140。包层141由例如SiO2制成。芯区140和包层141形成光学波导。如图9所示，由芯区140和包层141构成的光学波导形成为光耦合到光接收元件12的光吸收层114。
将简要说明制造光学集成电路20的方法。
首先，在半导体层100中形成用于光接收元件12的p型半导体区域101、n型半导体区域102和倍增区域103，然后在半导体层100上形成构成光学波导的芯区140。例如，通过在半导体层100上沉积SiN层、然后图案化SiN层来形成芯区140。
接下来，在芯区140上形成包层141。例如，在半导体层100上形成氧化硅层(例如SiO2)以覆盖半导体层100和包层141。例如，通过等离子体CVD法形成氧化硅层。接下来，在氧化硅层中的倍增区域103的上部部分的区域中形成开口。例如，通过众所周知的光刻技术和干法蚀刻技术选择性地去除氧化硅层中的倍增区域103的上部部分的区域。
接下来，通过使用其中已经形成开口的氧化硅层作为选择性生长掩模，在半导体层100中的倍增区域103上选择性地生长SixGe1-x来形成光吸收层114。例如，类似于根据第一实施例的光接收元件的制造工艺，通过公知的CVD法等在半导体层100中的倍增区域103上选择性地生长SixGe1-x。
接下来形成电极层106。通过例如公知的光刻技术和干法蚀刻技术选择性地去除在半导体层100中的p型半导体区域101和n型半导体区域102上沉积的氧化硅层(包层141)。然后，通过例如众所周知的剥离方法在p型半导体区域101和n型半导体区域102上形成由包含例如W或Cu在内的金属制成的电极层106。更具体地，在留下用于选择性去除氧化硅层的抗蚀剂图案并且在半导体层100和抗蚀剂图案上沉积包含W或Cu的金属材料之后，去除抗蚀剂图案。这在p型半导体区域101和n型半导体区域102上形成电极层106。为了沉积W，例如使用公知的蒸发方法。为了沉积Cu，例如使用公知的电镀方法。
通过执行上述步骤，可以制造光学集成电路20。
在根据该实施例的光学集成电路20中，可以实现光学波导和光接收元件的光吸收层之间的高质量光耦合，而不偏离普通的CMOS工艺。例如，在许多常规的波导型APD中，APD的光吸收层和光学波导通过消逝场耦合而光耦合。因此，光耦合效率不足，并且APD的光接收灵敏度低。相反，在根据本实施例的光学集成电路20中，由于光学波导形成为形成作为APD的光接收元件的步骤的一部分(例如，形成绝缘层的步骤)，所以可以通过对接将光学波导和光吸收层光耦合。这可以提高光学集成电路20中的光学波导和光接收元件的光吸收层之间的光耦合效率，并且提高作为APD的光接收元件的光接收灵敏度。
<第六实施例>
图12是示意性示出根据第六实施例的光接收元件的截面图。
图12所示的光接收元件14与根据第一实施例的光接收元件10的不同之处在于：光吸收层由p型III-V族化合物半导体制成，但是其余布置与光接收元件10的其余布置相同。在以下描述中，与根据第一实施例的光接收元件10相同的构成元件由相同的附图标记表示，并且将省略其详细描述。
在光接收元件14中，半导体层100是Si或SOI衬底，倍增区域103是未掺杂杂质的Si或SOI衬底的表面Si层的区域。例如，通过将B作为杂质离子注入到由Si或SOI衬底形成的半导体层100的表面Si层中来形成p型半导体区域101。例如，通过将As作为杂质离子注入到由Si或SOI衬底形成的半导体层100的表面Si层中来形成n型半导体区域102。
光吸收层134由例如III-V族化合物半导体制成。通过在晶片级或芯片级将III-V族化合物半导体键合在Si或SOI衬底上的所谓的“硅上III-V族化合物技术”，在Si或SOI衬底上形成光吸收层134。更具体而言，例如，在InP等晶体衬底上外延生长p型InGaAs，并且将InGaAs和半导体层100(Si或SOI衬底)晶片键合到倍增区域103的键合表面400。作为晶片键合，使用公知的表面活化方法。
在光接收元件的制造工艺的初始阶段进行晶片键合。例如，在作为半导体层100的Si或SOI衬底中形成p型半导体区域101和n型半导体区域102之后，将已经经历了晶体生长的InGaAs键合到半导体层100上。键合之后，类似于根据第一实施例的光接收元件10，通过在普通CMOS工艺中使用的公知的光刻技术、干法蚀刻等形成各层，所述各层形成光接收元件。即使在根据第六实施例的光接收元件中，这也不损害制造工艺的简易性。
如上所述，根据第六实施例的光接收元件可以实现更高速度和更高灵敏度的APD。例如，当将Si用于APD的倍增区域时，光接收元件在高密度集成和高增益带宽积(GBP)方面是有利的。在这种情况下，具有与形成倍增区域的Si的晶格常数相对接近的晶格常数的Ge、GeSn等通常用于光吸收层。然而，与使用III-V化合物半导体(InGaAs)的APD相比，使用Ge或GeSn作为光吸收层的APD在电子迁移率和光学吸收系数方面是不利的。
相反，由于根据第六实施例的光接收元件通过不同材料的晶片键合来使用Si作为光接收元件14的倍增区域103并且使用III-V化合物半导体(例如，InGaAs)作为光吸收层134，可以进一步提高速度并提高如APD的灵敏度。
上面基于实施例详细描述了由本发明人完成的本发明。然而，本发明不限于上述实施例，在不背离本发明精神的前提下可以进行各种改变。
例如，已经举例说明了势垒层107形成在光吸收层114的表面上，所述光吸收层114形成为使得带隙朝向根据第三实施例的光接收元件12中的倍增区域103减小。但是，即使在根据其他每一个实施例的光接收元件中，也可以以相同方式在光吸收层的表面上形成势垒层。
第二实施例已经例示了光吸收层114由p型GexSn1-x制成的情况，并且Ge组成比x沿与半导体层100的平面垂直的方向朝向倍增区域103减小。然而，本发明不局限于此。例如，光吸收层114可以由p型GexSi1-x制成，并且Ge组分比x可以沿与半导体层100的平面垂直的方向朝向倍增区域103增加。这可以进一步缩短光吸收层中的载流子行进时间，从而可以期望如APD的更高速操作，与根据第二实施例的光接收元件12类似。
在上述实施例中，已经将Si/SiGe、InP/InAlGaAs和Si/InGaAs例示为APD的倍增区域和光吸收层的材料组合。但是本发明不限于此，也可以组合其他材料。
第五实施例已经例示了SiN和SiO2作为形成光学波导的芯区140和包层141的组合。但是本发明不限于此，也可以将其他材料组合而形成光学波导。
在上述实施例中，可以在光接收元件10至13的光吸收层104至124的每个端部中形成反射膜或抗反射膜。在光学集成电路20中，反射膜或抗反射膜可以形成在光吸收层134和光学波导(芯区140和包层141)之间的键合部分或光学波导上的入射部分中。就欧姆阻抗减小、能带对准等方面而言，中间层可以近似地形成在电极层106与p型半导体区域101和n型半导体区域102之间或者倍增区域103与光吸收层104至124中的每一个之间。请注意，这些附加元件可以通过应用公知的半导体制造工艺来实现。
第一至第五实施例中的每一个已经例示了通过在倍增区域103上选择性地生长来形成光吸收层的方法。然而本发明不限于此，只要能够在倍增区域103上形成光吸收层即可。例如，可以通过晶片键合、芯片键合等在倍增区域103上形成光吸收层。
[工业实用性]
根据本发明的光接收元件和光学集成电路可以广泛地用于例如光学通信等中的光学接收器。
附图标记的解释
10、11、12、13...光接收元件，20...光学集成电路，100...半导体层，101...p型半导体区域，102...n型半导体区域，103...倍增区域，104、114、124、134...光吸收层，105...绝缘层，106...电极层，107...势垒层，140...芯区，141...包层，400...键合表面。

Claims (8)

1.一种光接收元件，包括：
半导体层，所述半导体层包括p型半导体区域、n型半导体区域和倍增区域；以及
在所述倍增区域上形成的p型光吸收层，
所述p型半导体区域和所述n型半导体区域形成为沿所述半导体层的平面方向将所述倍增区域夹在中间；以及
所述光吸收层的带隙朝向所述倍增区域减小。
2.根据权利要求1所述的光接收元件，还包括：
势垒层，所述势垒层形成在所述光吸收层上并具有比所述光吸收层高的导带边缘能量。
3.根据权利要求1或2所述的光接收元件，其中所述光吸收层具有朝向所述倍增区域减小的p型杂质浓度。
4.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，
所述倍增区域包括Si，
所述光吸收层包括GexSi1-x，以及
所述光吸收层的GexSi1-x的组成比x朝向所述倍增区域增加。
5.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，
所述倍增区域包括Si，
所述光吸收层包括GexSn1-x，以及
所述光吸收层的GexSn1-x的组成比x朝向所述倍增区域减小。
6.根据权利要求3所述的光接收元件，其中，
所述倍增区域包括III-V族化合物半导体，
所述光吸收层包括III-V族化合物半导体，以及
形成所述光吸收层的所述III-V族化合物半导体的组成比朝向所述倍增区域减小。
7.根据权利要求1所述的光接收元件，其中，
所述倍增区域包含Si，以及
所述光吸收层包括III-V族化合物半导体。
8.一种光学集成电路，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的光接收元件；
芯区，所述芯区形成于所述半导体层上并且光耦合到光吸收层；以及
形成在所述芯区上的包层。
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