CN110246915A - 垂直光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及垂直光电二极管。垂直光电二极管包括有源区。用于二极管端子的接触焊盘远离有源区横向移位，以便不位于有源区的上方或下方。有源区由锗区的本征的下部分和锗区的用第一导电类型掺杂的上部分而形成在半导体材料层中。垂直光电二极管光学地耦合到在半导体材料层中形成的波导。

Description

垂直光电二极管
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月7日提交的法国专利申请No.1851988的优先权权益，其内容在此通过引用以其整体并入法律允许的最大程度。
技术领域
本公开涉及光子学，并且更具体地涉及光信号到电信号的转换器或光电转换器。
背景技术
光纤使得数据能够以光信号的形式传送，光信号然后被转换成电信号。
通过光纤的数据传送的速度受分别位于光纤的上游和下游的电光转换器(由电信号对光载波的调制器)和光电转换器(解调器或光检测器)的限制。
发明内容
一个实施例提供了一种垂直光电二极管，该垂直光电二极管包括有源区，该有源区的所有接触区从有源区上方移位。
根据一个实施例，有源区由锗区的本征的下部分、锗区的具有第一导电类型的掺杂的上部分形成，有源区被形成在半导体材料层中。
根据一个实施例，锗区的上部分的横向壁与第一导电类型的第一掺杂区域接触，第一区域在半导体材料层的上表面之上延伸。
根据一个实施例，锗区的下部分与第二导电类型的第二掺杂区域接触，第二区域一直延伸到半导体材料层的上表面。
根据一个实施例，接触区位于第一区域和第二区域上，第一区域和第二区域优选地由硅制成。
根据一个实施例，第二区域部分地由SiGe制成。
根据一个实施例，第一区域和第二区域各自在本征的锗区的一侧上延伸。
根据一个实施例，绝缘沟槽至少部分地与锗区的第一横向表面接触。
根据一个实施例，第一横向表面的不与绝缘沟槽接触的部分与本征硅接触。
根据一个实施例，光电二极管的接触区之间的电势差表示有源区中的光子的数目。
一个实施例提供了一种光电转换器，该光电转换器包括诸如之前所描述的光电二极管。
根据一个实施例，转换器包括波导。
一个实施例提供了一种制造垂直光电二极管的方法，其中所有接触区从有源区上方移位。
根据一个实施例，方法包括以下步骤：打开在半导体材料(优选为硅)层的上表面中的腔；掺杂半导体材料层，以在半导体材料层的上表面上形成与腔的横向壁接触的第一导电类型的第一掺杂区域、以及与腔的底部接触的一直延伸到半导体材料层的表面的第二导电类型的第二掺杂区域；在腔中形成本征的锗；以及用第一导电类型来掺杂本征的锗的上部分，该上部分与第一区域接触。
根据一个实施例，接触区形成在第一区域和第二区域上。
根据一个实施例，方法包括形成绝缘沟槽的步骤，该绝缘沟槽平行于有源区延伸。
根据一个实施例，腔被打开以使得腔的一侧至少部分地由绝缘沟槽形成。
根据一个实施例，腔被打开以使得腔区的三个侧面至少部分地与硅接触。
附图说明
在下面结合附图对具体实施例的非限制性描述中将详细讨论前述和其他特征和优点，在附图中：
图1A是图示了光信号到电信号的转换器的一个实施例的俯视图；
图1B和图1C分别是沿着图1A的平面B-B和沿着图1A的平面C-C的横截面图；
图2A至图2C是图示图1A至图1C的实施例的制造步骤的横截面图；以及
图3是图示光信号到电信号的转换器的另一实施例的横截面图。
具体实施方式
在各个附图中，相同的元件用相同的附图标记表示，并且各个附图未按比例绘制。为清楚起见，仅示出并且详细描述了对理解所描述的实施例有用的那些步骤和元件。
在以下描述中，当提及诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等修饰绝对位置的术语，或诸如术语“上方”、“下方”、“上”，“下”等修饰相对位置的术语，或诸如术语“水平”、“垂直”等修饰方向的术语时，指的是图中的相关的元件的取向。术语“约”、“大约”、“基本上”和“…的量级”在本文中用于表示所讨论的值的正或负10％(优选正或负5％)的容差。
图1A、图1B和图1C分别是光信号到电信号的转换器10的一个实施例的俯视图、沿着图1A的平面B-B的横截面图、以及沿着图1A的平面C-C的横截面图。
转换器10在输入12处从光纤14接收光信号。光纤14和转换器10可以例如通过具有多路复用功能的光学电路或者能够接收和发射源自纤维的光信号的设备而分开。转换器10包括例如由硅制成的衬底(未示出)。衬底覆盖有绝缘体层16(图1B和图1C)。层16覆盖有半导体材料(优选为硅)层18。层18覆盖有绝缘体层24(图1A中未示出)。
转换器包括波导轴17。波导17包括在层18中形成的填充有绝缘体的两个沟槽20a和沟槽20b。沟槽20a和沟槽20b界定位于两个沟槽20a和沟槽20b之间的区域22(图1A和图1C)、以及在周边的区域23。每个沟槽20a和沟槽20b位于区域22和区域23之间。沟槽20a和沟槽20b的高度小于层18的厚度。
由沟槽20a和沟槽20b水平界定并且由层16和层24垂直界定的、波导17的区域22(图1A)形成光信号在其中传播的区域。实际上，硅对于所考虑的波长是透明的，并且沟槽20a和沟槽20b以及层16和层24的绝缘体被选择为具有与硅的折射率充分不同的折射率以包含光信号。例如，沟槽20a和沟槽20b以及层16和层24由具有1.45的折射率的二氧化硅制成，而硅的折射率为3.5。
转换器10还包括垂直光电二极管26(图1A和图1B)。垂直光电二极管是指使其有源区经由其上表面和下表面以及导电或半导体材料而连接到接触区的光电二极管。
光电二极管26包括在光信号的路径上与区域22(图1A)相对定位的锗区28。因此，区28处于区域22的延伸中。区28例如基本上具有平行六面体形状。如图1B中所示，区28包括下面的本征锗部分30(Ge(i))和上面的掺杂锗部分32(Ge(P))。在图1A、图1B和图1C的示例中，上部分32的锗是P型掺杂的。下部分30形成光电二极管26的有源区。
沟槽20b沿着区28与其平行地延伸。沟槽20a仅在波导17中延伸，并且不在光电二极管的层级(level)延伸。
在图1B中所示的横截面中，区28的上表面与绝缘体层24接触，并且其他三个表面与层18的硅接触。横向表面中的一个(图1B的左手侧上)通过本征硅区域34(Si(i))与沟槽20b分开。沟槽20b将区域34和具有与上部分32的类型相反的类型的掺杂的硅区域36(Si(N+))分开。在该示例中，区域36是N型掺杂的。区域36在波导17的区域23中的一个区域的延伸中。区28的下表面与区域38(Si(N))接触，区域38将区28与层16分开并从区28延伸到区域36。区域38具有与区域36相同的掺杂类型(此处为N)，并且例如比区域36更轻地掺杂。区28的另一横向表面(在图1B的右手侧上)在下部分30的层级与本征硅区域40(Si(i))接触，并且在上部分32的层级与掺杂硅区域42(Si(P+))接触，掺杂硅区域42具有与上部分32相同的导电类型(此处，P)。区域42例如比上部分32更重地掺杂。区域42在层18的表面之上延伸，更具体地在区域40之上延伸。
上部分32的掺杂浓度例如在从约1018cm-3至约1019cm-3的范围内。区域36、38和42的掺杂浓度例如在从约1018cm-3至约1020cm-3的范围内。
光电二极管的接触区形成在区域36上和区域42上。更具体地，接触焊盘(pad)44形成在区域36上，并且接触焊盘46形成在区域42上。过孔48和过孔50跨过绝缘层24以分别到达焊盘44和焊盘46。因此，光电二极管的接触区全部从有源区30横向移位(即，不位于有源区30上方)。
因此，有源区30的下表面经由一直延伸到层18的表面的N型掺杂半导体区域(区域36和区域38)而电连接到过孔48，并且有源区30的上表面经由P型掺杂半导体区域(部分32和区域42)而电连接到过孔50。
由光纤14供应给输入12的光信号可以传播通过波导17到达光电二极管26，更具体地到达区28的下部分30。然后，当光信号到达时，下面的本征锗部分30产生载流子(chargecarrier)。因此，在区域36和部分32之间(经由过孔48和过孔50)测量的电压表示由光信号传输的数据。更具体地，光电二极管的接触区之间的电势差表示有源区中的光子的数目，并因此表示到达光电二极管的光信号。
锗(4.5)和本征硅(3.5)之间的折射率差足以将信号限制在有源区中传输消息所需的时间。
作为一个变型，区28的下部分30可以通过掺杂有与区域38(此处，N)相同的导电类型的硅锗层(SiGe)(未示出)而与区域38分开。
区28例如在图1B的横截面平面中具有在从约500nm至约1200nm(优选地，从500nm至1200nm)的范围内的宽度。本征锗部分30具有例如在从约150nm至约500nm(优选地，从150nm至500nm)的范围内的厚度。上面的掺杂锗部分32例如具有在从约50nm至约100nm(优选地，从50nm至200nm)的范围内的厚度。沟槽20b在图1B的横截面平面中具有例如在从约400nm至约800nm(优选地，从600nm至800nm)的范围内的宽度。区28和接触焊盘46间隔开例如在从约400nm至约800nm(优选地，从400nm至800nm)的范围内的距离。
可以选择在区28的上部分32的正上形成接触焊盘46和过孔50。然而，制造的不精确可能导致部分地在部分32中延伸的过孔50的形成。过孔50的在部分32的锗中延伸的部分将吸收光信号的一部分(其然后将丢失)。另外，在两种不同的材料上制造焊盘在制造工艺方面受到限制。
图1A至图1C的实施例的优点在于，在过孔50的层级的制造不精确可能最多生成过孔50直到区域42(而不会到区28中)的延伸。因此，过孔50将不在光信号的路径上。
图2A至图2C是图示图1A和图1B的实施例的制造步骤的横截面图。
图2A示出了制造步骤。在该步骤期间，在未示出的衬底上形成绝缘层16。然后在层16上形成优选地由本征硅制成的半导体材料层18。在层18中形成沟槽20a和沟槽20b。沟槽20b在整个光电转换器10(波导和光电二极管)之上延伸，并且沟槽20a(在图2A至2C中未示出)一直延伸到将形成光电二极管的位置。因此，光信号将在其中从光纤传播到光电二极管的波导在沟槽20a和沟槽20b之间形成。图2A的横截面的平面位于光电二极管将位于的部分中。因此仅示出了沟槽20b。
图2A中所示的沟槽20b将区域52与区域36分开。区域52位于波导(未示出)的末端的表面处。
然后执行掺杂操作。具体地，区域36是N型掺杂(N+)的，并且位于区域52下方、沟槽20b下方和区域36下方的区域38也是N型掺杂的。区域38比区域36更轻地掺杂。位于层18的表面处并且从层18的周边(图2A中的右手侧上)一直延伸到区域52并且部分地在区域52之上延伸的区域42是P型掺杂的(P+)。
然后分别在区域36和区域42上形成接触焊盘44和接触焊盘46。
绝缘体层54沉积在所描述的结构上，以填充沟槽20a和沟槽20b并覆盖层18以及焊盘44和焊盘46。层54例如由与层16相同的绝缘体制成，例如由二氧化硅制成。
图2B图示了后续的制造步骤。在该步骤期间，腔56形成在层54中和区域52中。
腔56足够深以使腔56的底部位于区域38中。另外，腔56以使得区域42形成腔56的横向壁的一部分的这种方式定位。在图2A至图2C的示例中，腔56以使得本征硅区域34将腔与沟槽20b分开的这种方式定位。
图2C图示了后续的制造步骤。在该步骤期间，通过外延生长在腔56中形成锗，以形成区28，从而完全填充腔56的位于层18中的部分。锗可以可选地填充整个腔56。在图2C的横截面平面中，锗形成在三个壁上。
然后，对区28的上部分32进行P型掺杂。下面的本征部分30形成有源区。
再次用绝缘体覆盖该结构以形成之前描述的层24，绝缘体例如与层16相同的绝缘体(例如，二氧化硅)。
在未示出的后续步骤期间，过孔48和过孔50被形成为通过层24。
作为一个变型，还可以存在形成在腔56的底部处的N型掺杂SiGe层的步骤(未示出)。
图3是图示光信号到电信号的转换器的另一实施例的横截面图。在该实施例中，以使得腔的壁中的一个壁部分地由沟槽20b形成的这种方式来挖掘腔56。另外，沟槽20b的高度低于图2A至图2C的实施例的沟槽20b的高度。
因此，有源区30的位于沟槽20b一侧上的壁部分地与沟槽20b接触并且部分地与区域58接触。区域58由层18的材料制成，优选地由本征硅制成。与锗区28的高度相比，区域58具有较低的高度。
作为一个变型，沟槽20b可以具有大于硅区28的高度的厚度。因此，区28的位于沟槽20b一侧上的壁将完全与沟槽20b接触。因此，在图3的横截面平面中，区28的锗将仅在两个壁上形成。
在外延生长步骤期间，与图1B的实施例相比，在腔56的两个壁(在图3的横截面平面中)上以及可能在区域58上形成小的高度的锗使得锗中的位错(导致在所传输的信号的水平上的损耗)的数目能够减少。然而，锗的生长比图1B的实施例中更长。
转换器10的频率取决于有源区和接触区之间的电阻以及区域38(N掺杂)和区域32(P掺杂)之间的有源区的容量(capacity)。容量和电阻越低，频率越高。
这种实施例的优点在于，有源区可以具有小的厚度，并且因此具有小的电容，同时保持足够的宽度以使在锗的外延生长期间形成的位错在区28的周边处。因此，相对于通常的转换器，可以增加这种转换器的频率，这相对于允许约25Gbps(千兆位每秒)的传送速度的当前技术允许流量(flow rate)的增加。
沟槽20b的高度例如在从层18的厚度的约一半到层18的厚度的约六分之五的范围内。层18的厚度例如约等于300nm，优选地等于300nm，并且沟槽20b的高度例如在从约50nm至约150nm的范围内，优选在从50nm至150nm的范围内。
沟槽20b的深度的选择使得有源区和接触区中的一些接触区之间的电阻能够修改，这也使得转换器频率能够修改。
已经描述了具体实施例。本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。具体地，可以交换P和N导电类型。
作为一个具体实施例，所描述的转换器适用于例如具有1310nm波长或1550nm波长的光信号。
上文已经描述了具有不同变型的各种实施例。应当注意，本领域技术人员可以在不显示任何创造性步骤的情况下，组合这些各种实施例和变型的各种元素。
这样的改变、修改和改进旨在是本公开的一部分，并且旨在落入本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅是示例性的，并不旨在是限制性的。本发明仅受权利要求及其等价物限定。

Claims (29)

1.一种垂直光电二极管，包括：
有源区，包括具有上表面和下表面的二极管；以及
第一接触焊盘和第二接触焊盘，电耦合到所述上表面和所述下表面，其中所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘位于远离所述有源区横向移位的位置处。
2.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述有源区由锗区的本征的下部分、以及所述锗区的用第一导电类型掺杂的上部分而被形成在半导体材料层中。
3.根据权利要求2所述的光电二极管，其中所述锗区的所述上部分的横向壁与所述第一导电类型的第一掺杂区域接触，所述第一掺杂区域在所述半导体材料层的所述上表面之上延伸，所述第一接触焊盘被定位成与所述第一掺杂区域的上表面接触。
4.根据权利要求3所述的光电二极管，其中所述第一掺杂区域的未由所述第一接触焊盘覆盖的部分位于所述有源区和所述第一接触焊盘之间。
5.根据权利要求3所述的光电二极管，其中所述锗区的所述下部分与第二导电类型的第二掺杂区域接触，所述第二区域一直延伸到所述半导体材料层的所述上表面，所述第二接触焊盘被定位成与所述第二掺杂区域的上表面接触。
6.根据权利要求5所述的光电二极管，其中所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域由硅制成。
7.根据权利要求5所述的光电二极管，其中所述第二掺杂区域部分地由SiGe制成。
8.根据权利要求5所述的光电二极管，其中所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域各自在本征的锗区的一侧上延伸。
9.根据权利要求2所述的光电二极管，其中绝缘沟槽至少部分地与所述锗区的第一横向表面接触，所述绝缘沟槽将所述有源区与所述第二接触焊盘分开。
10.根据权利要求9所述的光电二极管，其中所述第一横向部分的不与所述绝缘沟槽接触的部分与本征硅接触。
11.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘之间的电势差表示所述有源区中的光子的数目。
12.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述有源区和所述接触焊盘间隔开在400nm至800nm的范围内的距离。
13.一种具有垂直光电二极管的光电转换器，其中所述垂直光电二极管包括：
有源区，包括具有上表面和下表面的二极管；以及
第一接触焊盘和第二接触焊盘，电耦合到所述上表面和所述下表面，其中所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘位于远离所述有源区横向移位的位置处，其中所述有源区具有从所述有源区上方移位的二极管接触区。
14.根据权利要求13所述的转换器，还包括耦合到所述垂直光电二极管的光学波导。
15.根据权利要求13所述的转换器，其中所述有源区由锗区的本征的下部分、以及所述锗区的用第一导电类型掺杂的上部分而被形成在半导体材料层中。
16.根据权利要求15所述的转换器，其中所述锗区的所述上部分的横向壁与所述第一导电类型的第一掺杂区域接触，所述第一掺杂区域在所述半导体材料层的所述上表面之上延伸，所述第一接触焊盘被定位成与所述第一掺杂区域的上表面接触。
17.根据权利要求16所述的转换器，其中所述第一掺杂区域的未由所述第一接触焊盘覆盖的部分位于所述有源区和所述第一接触焊盘之间。
18.根据权利要求16所述的转换器，其中所述锗区的所述下部分与第二导电类型的第二掺杂区域接触，所述第二区域一直延伸到所述半导体材料层的所述上表面，所述第二接触焊盘被定位成与所述第二掺杂区域的上表面接触。
19.根据权利要求18所述的转换器，其中所述第一区域和所述第二区域由硅制成。
20.根据权利要求18所述的转换器，其中所述第二区域部分地由SiGe制成。
21.根据权利要求18所述的转换器，其中所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域各自在本征的锗区的一侧上延伸。
22.根据权利要求15所述的转换器，其中绝缘沟槽至少部分地与所述锗区的第一横向表面接触。
23.根据权利要求22所述的转换器，其中所述第一横向部分的不与所述绝缘沟槽接触的部分与本征硅接触。
24.根据权利要求13所述的转换器，其中所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘之间的电势差表示所述有源区中的光子的数目。
25.一种制造垂直光电二极管的方法，包括：
打开在半导体材料层的上表面中的腔；
掺杂所述半导体材料层，以在所述半导体材料层的所述上表面上形成与所述腔的横向壁接触的第一导电类型的第一掺杂区域，并且以形成与所述腔的底部接触的、延伸到所述半导体材料层的表面的第二导电类型的第二掺杂区域；
在所述腔中形成锗；以及
用第一导电类型来掺杂所述腔中的所述锗的上部分，所述上部分与所述第一掺杂区域接触，同时使所述腔中的所述锗的下部分保留为本征。
26.根据权利要求25所述的方法，还包括在所述第一掺杂区域和所述第二掺杂区域上形成二极管接触区。
27.根据权利要求25所述的方法，还包括形成平行于所述有源区而延伸的绝缘沟槽。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述腔被定位以使得所述腔的一侧至少部分地由所述绝缘沟槽形成。
29.根据权利要求27所述的方法，其中所述腔被定位以使得所述腔的三个侧面至少部分地与硅接触。
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