CN110246916B - 锗光电二极管 - Google Patents

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Abstract

本公开的各种实施例涉及锗光电二极管。光电二极管包括由本征锗形成的有源区域。有源区域位于在硅层中形成的腔内。腔由相对的侧壁限定，侧壁相对于与硅层的底表面垂直的方向成角度。成角度的侧壁支持具有最小晶格缺陷的本征锗的外延生长。

Description

锗光电二极管
优先权要求
本申请要求于2018年3月7日提交的法国专利申请号1851989的优先权，其内容在法律允许的最大程度上通过整体引用并入于此。
技术领域
本公开涉及光子学，并且更特别地涉及将光信号转换成电信号的转换器或者光电转换器。
背景技术
光纤使得能够以光信号的形式传送数据，然后将其转换为电信号。
通过光纤的数据传送的速度由分别位于光纤上游和下游的电光转换器(调制器)和光电转换器(解调器或光电检测器)限制。
例如，当前将光信号转换成电信号的转换器的技术允许近似25Gbps的(千兆位每秒)的传送速度。
能够增加传送速度将是所期望的。
发明内容
在一个实施例中，光电二极管包括有源区域，有源区域包括在第一硅层中的至少一个第一锗区，第一锗区在沿着与第一层的平面正交的平面的横截面中仅具有两侧与第一层接触。
根据一个实施例，所述侧中的每侧形成与第一层的平面正交的方向的、大于近似10°的角度。
根据一个实施例，第一层的平面通过由第一层的两个最长侧形成的参考框架进行限定。
根据一个实施例，所述角度在与第一层的平面正交的方向上在近似10°和近似20°之间。
根据一个实施例，第一层搁置在由绝缘材料制成的第二层上。
根据一个实施例，第一区与第二层接触。
根据一个实施例，第一区的宽度小于近似700nm。
根据一个实施例，第一区的宽度在近似400至近似600nm的范围内。
根据一个实施例，有源区域包括在第一层外侧的第二锗区。
一个实施例提供了一种光电转换器，其包括诸如先前所描述的光电二极管。
根据一个实施例，转换器包括波导。
根据一个实施例，波导包括绝缘材料的沟槽，该沟槽界定第一层的区域，所述区域能够接收光信号。
根据一个实施例，第一区位于所述区域中。
根据一个实施例，在第一层的部分之间测量电压，部分通过由绝缘材料制成的沟槽来与第一区分离。
根据一个实施例，沟槽的高度基本上等于第一层的厚度的一半。
附图说明
在结合附图的对特定实施例的以下非限制性描述中，将详细讨论前述和其他特征和优点，其中：
图1A至图1C分别是俯视图以及沿着平面B-B和平面C-C的截面图，示意性地图示了将光信号转换成电信号的转换器的一个示例；
图2A和图2B分别是俯视图和沿着平面B-B的截面图，示意性地图示了制造将光信号转换成电信号的转换器的一个实施例的步骤；
图3A和图3B分别是俯视图和沿着平面B-B的截面图，示意性地图示了制造将光信号转换成电信号的转换器的一个实施例的另一步骤；
图4A和图4B分别是俯视图和沿着平面B-B的截面图，示意性地图示了制造将光信号转换成电信号的转换器的一个实施例的另一步骤；
图5是示意性地图示了将光信号转换成电信号的转换器的另一实施例的截面图；以及
图6是示意性地图示了将光信号转换成电信号的转换器的另一实施例的截面图。
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指定，并且进一步地，各个附图未按比例绘制。为清楚起见，仅示出了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，当提及限定绝对位置的术语(诸如术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)、或者限定相对位置的术语(诸如术语“上方”、“下方”、“较高”、“较低”等)、或者限定方向的术语(诸如术语“水平”、“垂直”等)时，其参考附图中的有关元件的取向。术语“近似”、“基本上”、“大约”和“大概”在本文中用于指定所讨论的值的正或负10％的公差，优选地正负5％的公差。
图1A至图1C分别是俯视图以及沿着图1A的平面B-B和平面C-C的截面图，示意性地图示了将光信号转换成电信号的转换器10。
转换器10在输入处从光纤12接收光信号。例如，光纤12和转换器10可以由具有多路复用功能的光电路分离，或者由能够接收和发射源自光纤的光信号的设备分离。转换器10包括衬底(未示出，例如，由硅制成)。衬底覆盖有绝缘体层13(图1B和图1C)。层13覆盖有硅层14。填充有绝缘体的沟槽16(图1A和图1C)在层14中形成。沟槽16的高度基本上等于层14的厚度的一半。沟槽16界定区18，区18由图1C中的虚线界定。层14进一步覆盖有绝缘体层20(图1A中未示出)。
区18由沟槽16水平界定，并且由层13和层20垂直界定，区18形成波导轴，即光信号传播的区。实际上，硅对于所考虑的波长是透明的，并且沟槽16以及层13和层20的绝缘体被选择为具有与硅的折射率足够不同的折射率，以容纳(contain)光信号。例如，沟槽16以及层13和层20由具有1.45的折射率的氧化硅制成，而硅的折射率为3.5。
转换器10还包括光电二极管，光电二极管包括锗块22。块22包括本征中心部分24，本征中心部分24位于由区18形成的波导轴的端部的对面。部分24从光学观点形成光电二极管的有源区域，即，光敏区域。块22还包括N型掺杂部分26(图1B中的左手部分)和P型掺杂部分28(图1B中的右手部分)。
沟槽16在靠近光电二极管处比在靠近输入处更远离彼此，以随着与光纤的距离增加而加宽区18。
当光信号到达中心部分24时，中心部分24产生电荷载流子。因此，在部分26和部分28之间测得的电压(经由与层20交叉的导电过孔30)表示由光信号传输的数据。
转换器10中的数据传送速度(即，可以读取数据的频率)取决于本征部分24的电容，并且因此取决于部分24的宽度(区26和区28之间的距离)。数据传送速度还取决于部分24和过孔30之间的电阻。
例如，锗块22具有1.6μm的宽度，并且在区26和区28之间的最大距离例如近似为700nm。这种结构使得能够以25Gbps的速度传送数据。
部分26和28通过掺杂本征锗而形成，部分26和部分28与部分24之间的限制具有低精度并且难以控制，这使得电容控制也很困难。
为了控制本征部分24的宽度并且能够减小它，期望形成仅包括本征锗块并且不包括掺杂锗(掺杂部分26和28)的转换器。
图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B图示了制造光电转换器的一个实施例的方法。
图2A和图2B分别是俯视图和沿着图2A的平面B-B的截面图，示意性地图示了其中形成与图1C中所示波导类似的波导的制造步骤。
在该步骤期间，在衬底(未示出)上形成绝缘体层42。还在层42上形成硅层44。在层44中刻蚀沟槽46，以界定其中光信号将传播的中心区48或中心区域(即，波导轴)以及层44的两个部分49。每个沟槽46将区48与部分49分离。然后沉积绝缘体层50(在图2A中未示出)，以填充沟槽46并且覆盖层44。层50还可以是绝缘层(例如，由氮化硅和氧化硅制成)的堆叠。
层44的平面通过由层44的两个最长侧形成的参考框架进行限定。因此，例如，层44的平面对应于层44的低表面的平面或者与该平面平行的平面。
部分49在一侧由沟槽46界定，并且在另一侧由绝缘沟槽(未示出)界定，该绝缘沟槽例如到达绝缘体层42以使转换器与相邻部件绝缘。
沟槽46的高度例如等于层44的厚度的一半。层50的厚度例如在从近似10nm至近似100nm的范围内。层44的厚度例如在从近似250nm至近似350nm的范围内(例如，近似300nm)，并且沟槽46的高度例如在从近似125nm至近似175nm的范围内(例如，近似150nm)。区48的宽度(即，在两个沟槽46之间的距离)例如在从近似600nm至近似800nm的范围内。沟槽46的宽度例如在从近似400nm至近似900nm的范围内。部分49的宽度例如在从近似300nm至近似500nm的范围内。
图3A和图3B分别是俯视图和沿着图3A的平面B-B的截面图，示意性地图示了另一制造步骤。
在该步骤期间，层50被刻蚀以形成与区48部分相对的开口52，期望在其中形成有源区域。通过开口52刻蚀区48以到达层42，以在光信号的路径上形成腔54(即，与波导轴对准)。腔54具有平行六面体形状。
在图3B的示例中，开口52的横向尺寸大于腔54的横向尺寸。然而，它们可以是相同的。
图4A和图4B分别是俯视图和沿着图4A的平面B-B截面图，示意性地图示了另一制造步骤。
在该步骤期间，例如通过使用GeH4在腔54中通过外延来生长锗，以形成光电二极管的有源区域。有源区域包括在层44中的区55以及可选地区58，区55通过填充腔54形成，区58延伸超出区44，区58通过填充开口52形成。因此区58位于层44的外侧。
在沿着与层44的平面正交的平面的横截面中，区55包括：两侧，横向壁，与层44接触；以及一侧，下表面，与层42接触。
然后，在部分49上形成连接焊盘56(图4A中未示出)。然后用一层绝缘体60(图4A中未示出)覆盖该结构。过孔62穿过层60以到达连接焊盘56，并且使得能够测量在两个部分49之间的电压。该电压表示以与图1A至图1C的过孔30之间的电压相同的方式由光纤传输的数据。
层42、层50和层60的绝缘体被选择为具有与硅的折射率充分足够的折射率，以容纳光信号。层42、层50和层60例如由氧化硅制成。
在该制造工艺期间，位于有源区域和连接焊盘56之间的层44的区域在一侧是P型掺杂的，并且在另一侧是N型掺杂的。这尤其使得能够修改在光电二极管和焊盘56之间的电阻，从而在一定程度上修改在转换器的层级的数据传输速度。
因此，通过控制腔54的尺寸，同时将P和N掺杂区域保持在另一材料(这里，在本征区55的相对侧的区49的硅)中，可以精确地控制本征锗宽度。
本可以认为形成不到达层42的有源区域。然后，例如以相同的速度从腔54的横向壁和底部进行锗生长。然而，当在这些表面中的一个表面上形成的锗将连接在这些表面中的另一表面上形成的锗时，它们的网格将不能正确对准。这将导致在几个方向上在锗中产生许多位错。这种位错将会导致电荷载流子的损失和信号的损失。
在图4A和图4B的实施例中，在外延生长步骤期间，锗仅在腔54的横向壁上生长。然后，填充腔54的区55仅包括一个规则的中心位错64，其在腔54内在高度上延伸。
位错64基本上沿着区55的整个高度并且基本上沿着其整个长度(在与图4B的横截面正交的方向上)延伸。
在实践中，在壁的层级处存在小位错(未示出并且可忽略的)。这种小位错是由于锗
Figure BDA0001987470760000071
和硅
Figure BDA0001987470760000072
之间的晶格常数差异造成的。这种位错通常对传输的信号的影响很小。
例如，腔54以及因此有源区域的区55具有小于近似700nm的宽度，例如在从近似400nm至近似600nm的范围内，例如在从400nm至600nm的范围内。腔的宽度被限定为在与层44的平面和图4B的横截面共同的方向上的腔的尺寸的值。这使得区55中的电容小于图1A和图1B的部分24中的电容。例如，这种结构可以达到基本上等于50Gbps的传送速度。
图5是示意性地图示将光信号转换成电信号的转换器80的另一实施例的截面图。
除了腔54的形状之外，图5的实施例通过与关于图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B描述的方法类似的方法来获得。
在该实施例中，腔54在沿着与层44的平面正交的平面的横截面中具有梯形的形状(例如，等腰梯形的形状)。如前所述，腔54在沿着与层44正交的平面的横截面中(例如，在图5中所示)仅包括与硅层44接触的两侧，其对应于腔54的横向壁。进一步地，在该示例中，有源区域通过其下表面与层42接触。
腔54的横向壁相对于垂直方向(即，与层44的平面垂直的方向)的角度α例如大于近似10°，例如在近似10°和近似20°之间。优选地，腔54的两个相对壁的角度α基本相等。
在外延生长步骤期间，锗在腔54的横向壁上生长，以在层44中形成区82以及可能地形成延伸超出层44的区83。在壁的下部形成的锗比在上部中形成的锗更快地连接，在腔54的下部中产生位错84，而在其中不形成显著的位错。因此，仅存在位于区82的下部的一个显著的位错84。
此外，腔54的壁的角度α使得能够减少沿着每个壁的可忽略的小位错的量。实际上，在刻蚀硅以形成图5的腔54时，硅原子也被刻蚀，然后在腔壁的层级处的每个原子的尺寸比图2A、图2B、图3A、图3B、图4A和图4B的情况更接近锗的晶格常数。
例如，腔54在层44的上表面处的宽度小于近似700nm，例如，在从近似400nm至近似600nm的范围内，例如，在从400nm至600nm的范围内。
图6是示意性地图示将光信号转换成电信号的转换器90的另一实施例的截面图。
为了形成图6的结构，腔54被刻蚀成在沿着与层44的平面正交的平面的横截面中具有三角形的形状(例如等腰三角形的形状)。三角形的末端可以不到达绝缘层42，如图6所示。更确切地说，在这种横截面中，腔54仅包括与硅接触的两侧，其对应于腔54的横向壁。因此，在外延生长步骤期间，锗在腔54的横向壁上生长以形成有源区域，该有源区域包括在层44中的区92以及可能包括延伸超出腔54的区93。填充腔54的区92仅包括一个显著的错位，如图5的结构。
例如，腔54在层44的上表面处的宽度小于近似700nm，例如，在从近似400nm至近似600nm的范围内，例如，在从400nm至600nm的范围内。
腔54的横向壁相对于垂直方向的角度α(即，垂直于层44的方向)例如大于10°。优选地，两个相对的壁的角度α基本相等。
已经描述了特定实施例。本领域技术人员将想到各种变更、修改和改进。特别地，在所描述的附图中，锗填充腔54和层50中的开口52。作为变型，锗可以仅填充腔54。
作为一个具体实施例，所描述的转换器被适配以例如具有1,310-nm波长或1,550-nm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示出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件。
这些变更、修改和改进旨在成为本公开的一部分，并且旨在处于本发明的精神和范围内。因此，前面的描述仅是以示例的方式，而不旨在进行限制。本发明仅受如随附的权利要求及其等同方案所限定的那样被限制。

Claims (27)

1.一种光电二极管，包括：
硅层，具有下表面和上表面，并且还包括从所述上表面延伸到所述硅层中的腔，所述腔具有相对的侧壁；
有源区域，包括在所述腔内的锗区，其中所述锗区与所述腔的所述相对的侧壁接触，并且其中在与所述下表面的平面正交的方向和所述相对的侧壁的平面之间的角度大于10°；
在所述硅层内的第一掺杂区，邻近所述相对的侧壁中的第一侧壁，所述第一掺杂区掺杂有第一导电类型掺杂剂；以及
在所述硅层内的第二掺杂区，邻近所述相对的侧壁中的第二侧壁，所述第二掺杂区掺杂有第二导电类型掺杂剂。
2.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述角度在从10°至20°的范围内。
3.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述硅层的所述下表面搁置在绝缘层的上表面上。
4.根据权利要求3所述的光电二极管，其中所述锗区与所述绝缘层的所述上表面接触。
5.根据权利要求1所述的光电二极管，其中在所述相对的侧壁之间的所述腔的最大宽度小于700nm。
6.根据权利要求1所述的光电二极管，其中在所述相对的侧壁之间的所述腔的最大宽度在从400nm至600nm的范围内。
7.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述锗区在所述硅层的所述上表面上方延伸。
8.根据权利要求1所述的光电二极管，进一步被配置为接收用于检测的光，其中所述光在与所述腔的所述相对的侧壁平行的方向上传播。
9.根据权利要求1所述的光电二极管，其中所述腔具有的深度小于所述硅层的厚度，并且其中所述相对的侧壁在所述腔的底部处彼此接触，并且其中所述腔在与所述下表面垂直的横截面中具有三角形的形状。
10.一种光电转换器，包括：
光电二极管，其中所述光电二极管包括：
硅层，具有下表面和上表面，并且还包括从所述上表面延伸到所述硅层中的腔，所述腔具有相对的侧壁；
有源区域，包括在所述腔内的锗区，其中所述锗区与所述腔的所述相对的侧壁接触，并且其中在与所述下表面的平面正交的方向和所述相对的侧壁的平面之间的角度大于10°；
在所述硅层内的第一掺杂区，邻近所述相对的侧壁中的第一侧壁，所述第一掺杂区掺杂有第一导电类型掺杂剂；以及
在所述硅层内的第二掺杂区，邻近所述相对的侧壁中的第二侧壁，所述第二掺杂区掺杂有第二导电类型掺杂剂；以及
波导，被配置为将光传播到所述有源区域。
11.根据权利要求10所述的转换器，其中所述波导包括绝缘材料的沟槽，所述沟槽界定所述硅层的区域，所述区域被配置为接收所述光。
12.根据权利要求11所述的转换器，其中所述腔位于所述区域内。
13.根据权利要求11所述的转换器，其中所述光在与所述腔的所述相对的侧壁平行的方向上传播。
14.根据权利要求11所述的转换器，其中所述沟槽的高度等于所述硅层的厚度的一半。
15.根据权利要求10所述的转换器，其中所述角度在10°至20°的范围内。
16.根据权利要求10所述的转换器，其中在所述第一掺杂区和第二掺杂区之间测量电压。
17.根据权利要求16所述的转换器，其中所述波导包括绝缘材料的沟槽，所述沟槽界定所述硅层的区域，所述区域被配置为接收所述光，并且其中还包括用于所述第一掺杂区和所述第二掺杂区的电接触，所述电接触位于所述硅层的对应的第一部分和第二部分上，所述第一部分和所述第二部分通过绝缘材料的所述沟槽与所述区域分离。
18.一种制造光电转换器的方法，包括：
刻蚀半导体材料层中的第一沟槽和第二沟槽，以界定半导体材料的中心区，其中所述半导体材料层位于绝缘材料的第一层上；
沉积绝缘材料的第二层，绝缘材料的所述第二层填充所述第一沟槽和所述第二沟槽并且覆盖所述中心区；
刻蚀绝缘材料的所述第二层和半导体材料的所述中心区以形成腔，所述腔延伸完全穿过绝缘材料的所述第二层和半导体材料的所述中心区以界定由所述腔彼此间隔开的所述中心区的第一部分和所述中心区的第二部分，所述腔具有相对的侧壁，其中第一掺杂区被形成在邻近所述相对的侧壁中的第一侧壁的所述半导体材料内，并且所述第一掺杂区掺杂有第一导电类型掺杂剂，并且其中第二掺杂区被形成在邻近所述相对的侧壁中的第二侧壁的所述半导体材料内，并且所述第二掺杂区掺杂有第二导电类型掺杂剂；以及
外延生长与所述腔中的所述半导体材料层的半导体材料不同的半导体材料，以形成光电二极管的有源区域。
19.根据权利要求18所述的方法，其中沉积绝缘材料的所述第二层包括沉积形成绝缘材料的所述第二层的层堆叠。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述层堆叠包括氮化硅层和氧化硅层。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述腔与指向所述光电二极管的光信号的路径对准。
22.根据权利要求18所述的方法，其中与其中所述半导体材料层接触绝缘材料的所述第一层的平面正交的方向和所述腔的相对的侧壁的平面之间的角度大于10°。
23.一种制造光电转换器的方法，包括：
刻蚀半导体材料层中的第一沟槽和第二沟槽，以界定半导体材料的中心区，其中所述半导体材料层位于绝缘材料的第一层上；
沉积绝缘材料的第二层，绝缘材料的所述第二层填充所述第一沟槽和所述第二沟槽并且覆盖所述中心区；
刻蚀绝缘材料的所述第二层和半导体材料的所述中心区以形成腔，所述腔延伸完全穿过绝缘材料的所述第二层并且仅部分地穿过半导体材料的所述中心区以界定由所述腔彼此间隔开的所述中心区的第一部分和所述中心区的第二部分，所述腔具有相对的侧壁，其中第一掺杂区被形成在邻近所述相对的侧壁中的第一侧壁的所述半导体材料内，并且所述第一掺杂区掺杂有第一导电类型掺杂剂，并且其中第二掺杂区被形成在邻近所述相对的侧壁中的第二侧壁的所述半导体材料内，并且所述第二掺杂区掺杂有第二导电类型掺杂剂；以及
外延生长与所述腔中的所述半导体材料层的半导体材料不同的半导体材料，以形成光电二极管的有源区域。
24.根据权利要求23所述的方法，其中沉积绝缘材料的所述第二层包括沉积形成绝缘材料的所述第二层的层堆叠。
25.根据权利要求24所述的方法，其中所述层堆叠包括氮化硅层和氧化硅层。
26.根据权利要求23所述的方法，其中所述腔与指向所述光电二极管的光信号的路径对准。
27.根据权利要求23所述的方法，其中与其中所述半导体材料层接触绝缘材料的所述第一层的平面正交的方向和所述腔的相对的侧壁的平面之间的角度大于10°。
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