CN111354807B - 雪崩光电二极管及制造光电组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及雪崩光电二极管、计算或通信装置及制造光电组件的方法。三端雪崩光电二极管提供了跨光吸收区的第一可控电压降和跨光电流放大区的第二独立可控电压降。吸收区也可以具有不同于放大区的组成，使两个功能区进一步独立优化。绝缘层阻挡泄漏路径，将光电流朝向最高雪崩增益的区域重定向。所产生的高增益、低偏置雪崩光电二极管可以采用商业CMOS工艺制造于集成光学电路中，可以采用与成熟计算机架构通用的电源工作，以及可以被用于光学互连、光感测和其它应用。

Description

雪崩光电二极管及制造光电组件的方法
技术领域
本公开一般地涉及光电技术。
背景技术
在光电领域，集成光学电路或者子组件可以经设计以取代它们在计算、信号处理及其它装置中的传统的电子对应件。制造大型光学(特别是硅光子)电路的成本已于近年显著减小。然而，全光装置对于一些应用可能还不实用。在一些装置中，高速光组件和/或宽频带光组件可以与低功率或者低成本电子组件策略性地结合。将光信号转变为电信号的光电探测器在光学组件和电子组件之间的接口处起关键作用。
集成光学电路中的光学信号电平可能是非常低的。首先，光源通常是低功率的，既为了节约能源也为了避免散发足以降低装置整体性能的废热。第二，某些源光线可能在波导和电路中的其它光学组件中丢失。因此，这些集成光学电路中的光电探测器最好是在弱光水平下良好地工作。
雪崩光电二极管(APD)是光电探测器的一种类型，其中由光子吸收产生的载流子进入增益区，在增益区中，载流子通过碰撞释放其它载流子。这些其它载流子也在该增益区碰撞，它们中的每一者释放多个额外的载流子。对于进入该增益区的每一个载流子，有更多的载流子离开以被下游电子器件接收。因此，弱光的光学输入会产生放大的电输出。
APD的放大机制可以与被普遍用于经典光学中的低电平光检测的光电倍增管的运行方式相比较或类似。然而，与光电倍增管不同的是，APD可以采用已经在半导体制造中特征化的和使用的材料和工艺在小型化规模的集成光学芯片上制造。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了一种雪崩光电二极管。所述雪崩光电二极管可以包括：在衬底上的放大区；在所述放大区的第一侧的p掺杂横向边界；耦合到所述p掺杂横向边界的第一端子；在所述放大区的第二侧的n掺杂横向边界；耦合到所述n掺杂横向边界的第二端子；在所述p掺杂横向边界、所述n掺杂横向边界和所述放大区上的吸收区；耦合到所述吸收区的第三端子；以及在所述吸收区和所述n掺杂横向边界之间的绝缘层。
根据本公开的另一个方面，提供了一种计算或通信装置。所述计算或通信装置可以包括：三端子雪崩光电二极管，所述雪崩光电二极管具有分离的吸收区和放大区，以及安置于所述吸收区和泄漏路径之间的绝缘层；及第一电子模块，所述第一电子模块接收来自于所述雪崩光电二极管的信号。
根据本公开的又一个方面，提供了一种制造光电组件的方法。所述方法可以包括：对半导体进行p掺杂以形成放大区的第一触点和p掺杂横向边界；对所述半导体进行n掺杂以形成放大区的第二触点和n掺杂横向边界；在所述n掺杂横向边界上方形成绝缘层；在所述p掺杂横向边界、所述n掺杂横向边界和所述放大区上方形成吸收区；对所述吸收区进行p掺杂以形成第三触点；以及形成到所述第一触点、所述第二触点和所述第三触点的连接部。
附图说明
当伴随附图阅读时，可以更好地从以下详细描述中理解本公开。需要强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征并没有按比例绘制。实际上，功能特征的尺寸或维度可以基于现有计算机系统中已知的设计、安全、性能或者其它因素被重新定位或者组合。进一步地，可以针对某些功能在内部以及相对于彼此更改处理次序。也就是说，某些功能可以不需要串行处理，且因此可以以不同于展示的次序或可能相互并行的次序被执行。对于各种示例的详细描述，现将参考附图，其中：
图1A示出了根据一个或多个公开的示例的简化的雪崩光电二极管。
图1B示出了根据一个或多个公开的示例的更复杂的雪崩光电二极管。
图2A示出了根据一个或多个公开的示例的光到光电的转换和电放大的过程。
图2B示出了穿过未屏蔽的n掺杂横向边界的光电流泄露。
图2C示出了根据一个或多个公开的示例通过屏蔽n掺杂横向边界使载流子重定向穿过放大区。
图3A示出了根据一个或多个公开的示例的雪崩光电二极管中的z向电场的仿真结果。
图3B示出了根据一个或多个公开的示例的雪崩光电二极管中的x向电场的仿真结果。
图3C示出了根据一个或多个公开的示例的雪崩光电二极管中的垂直光电流密度的仿真结果。
图4示出了根据一个或多个公开的示例的制造雪崩光电二极管的方法。
图5A示出了根据一个或多个公开的示例的可以嵌入有集成光学电路的通用化的计算或通信装置。
图5B示出了根据一个或多个公开的示例的通用化的计算或通信装置中的与两个电模块交互操作的光学模块。
具体实施方式
不同的有利的示例的描述以举例说明的目的被呈现，且并非旨在穷举或限制为所公开的形式中的示例。许多修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的。进一步地，不同的有利的示例可能会提供相较于其它有利的示例的不同的优势。挑选出来的示例被选中和描述，以便最好地解释示例的原理、实际应用，以及使本领域技术人员理解针对具有适用于预期用途的各种修改的各种示例的所述公开。
在本公开被详细描述之前，需要理解的是，除非另有指示，本公开并不限于具体程序或条款，无论该具体程序或条款是否被描述。需要进一步理解的是，在本文中使用的术语仅仅是为了描述特定示例的目的，且并不旨在限制本公开的保护范围。
采用集成光路替换传统集成电路可能会显著地提高装置收集和分发信息的速度。然而，许多光电组件比它们所替换的电子组件需要更多功率运行。例如，当将光电子系统集成到现有的电子装置中时，会出现提供足够的运行功率的挑战。传统雪崩光电二极管(APD)可能需要偏置于25V处——是典型CMOS计算机架构的12V限值的两倍多。由于实现击穿所需的高偏置电压，传统APD的功耗也很高。
就本文而言，“半导体”是具有比绝缘体的电导率高但比大多数金属的电导率低的任何固体物质。半导体的电导率随着温度增加，并且也可以通过增加杂质(“掺杂”)而增加。“衬底”是如晶片、芯片、光学窗口、或者其它支撑结构的工件，例如所公开的APD这样的组件在这些工件上制造。衬底可以包含在APD平面下方的先前制作的层和/或结构。“层(layer)”是沉积、生长、通过掺杂产生或者以其它方式形成于衬底上或衬底上方的层(stratum)。术语“层(layer)”可以包含层压材料和其它叠层，以及单材料层(strata)。“吸收体”或“吸收材料”可以是吸收光并产生光电流的任何材料。
“载流子”指被吸引到负电荷的那些；例如，正向偏置器件中的空穴和反向偏置器件中的电子。反向偏置器件的示例不排除正向偏置变化的可能性。例如，当通过吸收光子而释放的载流子通过在放大区中的碰撞被倍增时，“放大”指增加光电流的振幅。“端子”可以指电极或者连接到电极的导电引线。
术语“在上方”(“over”或“above”)、“在下方”(“under”、“below”或者“underneath”)可以包括“与接触”或“通过中介层分离”。“横向的”指“平行于衬底表面的方向”。
APD可以被认为是以两种方式对入射光起作用：(1)吸收光，引起初始光电流流动，以及(2)将光电流放大到可被下游电子器件使用的电平，有时也称“光电倍增”。在一些简单的APD中，吸收和放大发生在如硅(Si)或锗(Ge)的半导体材料的单一区域中。然而，在硅光子的1300nm-1500nm的近红外工作波长处，Ge(锗)可以更有效地吸收光子和发射载流子，以及Si(硅)可以更有效的用于成倍的增加载流子。将吸收功能和放大功能分离到不同的区域(可选地以不同的组合方式)中，使所述功能独立地被最优化而不是被相互折衷选择。
一些现有的APD，诸如分离吸收电荷倍增(SACM)APD，通过在吸收区和放大区之间插入特殊设计的带电材料层，减小击穿电压。带电层在放大区中使电场集中，导致大部分施加的偏置电压跨放大区降低。然而，带电层是在光学上有损耗的，而且它的复杂的掺杂侧写(profile)需要非常精确的控制。
降低APD中的偏置电压的另一种方法是增加第三电端子。三端APD提供在吸收区和放大区之间(例如，跨吸收区)的第一电压降和跨放大区的独立可控的第二电压降。所述电压降中的一者可以被用以控制吸收区中的电场(E-field)，而使用另一者以独立控制放大区中的电场(E-field)。该方法可以导致光子吸收增加，光子吸收增加反过来增加初始产生的光电流。然而，该光电流的很大的一部分可以直接从吸收区行进到APD的收集区(例如，在吸收区之下的n掺杂区)。绕过放大区的光电流并没有被倍增，且因此对输出信号做出了仅仅很小的贡献。
在所公开的示例中，载流子的产生发生在APD的第一区域(例如，吸收区)，且其倍增发生在分离的第二区域(例如，放大区)。这会让每一区域中的材料被独立地优化以用于它们特定的功能。此外，所公开的示例使用三个电端子以提供两个独立可控的电压降。电压降中的一者确定流过吸收区的电流，而另一者确定流过放大区的电流。另外，在吸收区和绕开放大区的泄漏路径之间提供电绝缘层，将光子产生的更多载流子重定向进入待倍增的放大区，因此相对于不具有这样的电绝缘层的APD，增加了APD的增益。
放大材料的第一表面区域可以是p掺杂的以形成第一端子的触点。放大材料的第二表面区域可以是n掺杂的以形成第二端子的触点。吸收材料的表面区域可以是p掺杂的以形成第三端子的触点。放大材料的p掺杂区和n掺杂区可以在吸收材料之下被延伸以形成放大材料中的无掺杂间隙的相对的横向边界。在p掺杂横向边界和n掺杂横向边界之间的无掺杂间隙是增益最高的放大区。在吸收区和n掺杂横向边界之间的绝缘层(例如，安置于或形成于n掺杂横向边界上)阻止载流子(反向偏置器件中的负电荷载流子，正向偏置器件中的正电荷载流子)通过最低阻抗、非放大的n掺杂横向边界泄漏。被绝缘层阻挡的载流子经重定向穿过下一最低阻抗的路径，例如，跨过或穿过在其中被倍增的最近的无掺杂间隙的至少一部分。
可选地，可以通过使第一端子和第二端子之间的多个p掺杂横向边界和n掺杂横向边界进行交替形成多个放大间隙。随后可以在所有n掺杂横向边界上形成绝缘层(或形成为毯层(blanket layer)以及从p掺杂横向边界、无掺杂间隙，以及第二端子触点区域选择性地蚀刻掉)。
产生的具有增强增益和低偏置电压的APD可以被用在集成光学组装件、组合光学/电子电路和电子模块之间的光学连接件中。它们在小的或拥挤的空间、弱光条件、热敏感环境、或者在受限的工作功率或偏置电压可用的情形下带来特定优势。能够运行在现存计算机架构的标准偏置电压的具有增强灵敏度的APD，可以显著地提高在通信(例如，在数据通信和电信应用中)和信息收集(例如，在物联网的传感器，光学雷达(LiDAR)、量子计算、生物/医学应用等之中)中的集成光路的性能。
图1A示出了根据一个或多个公开的示例的简化的雪崩光电二极管。三个电端子——第一端子113、第二端子114和第三端子115——通过提供可以被独立设置的两个不同的电压降控制APD内部的局部电场分布。在反向偏置器件中，第一端子113具有比第二端子114低的电压；在正向偏置器件中，情况相反。
第三端子115与吸收区106的p掺杂区105接触。吸收区106可以是吸收APD工作波长的光子和作为吸收机制的一部分发射载流子的光电流的任何材料或材料层。在1300nm-1550nm的近红外范围内，Ge(锗)是强吸收体和为人所熟知的半导体制造材料。砷化铟镓(InGaAs)是可供选择的波长高达1600nm的近红外吸收体。Si(硅)在波长小于1100nm处是有效的。
为了倍增载流子和放大光电流，放大区112通过p掺杂横向边界103和n掺杂横向边界104之间的电场(E-field)形成于半导体102的层中。半导体102可以是在存在电场(E-field)时迅速倍增入射载流子的任何材料。如果吸收区106是非常高效率的且将几乎所有的入射光转换为光电流，半导体102也无需强劲地吸收工作波长。因此，具有非常低的倍增噪声且也作为众所周知和成本最低的半导体制造材料的Si(硅)，可以被用作半导体102。InGaAs(砷化铟镓)可能比Si(硅)引入更多的倍增噪声，而Ge(锗)的噪声可能更甚。
p掺杂横向边界103和n掺杂横向边界104形成于半导体102的层中(例如，通过对半导体102的相应区域或部分进行p掺杂或n掺杂)。横向边界103和横向边界104是硅中的三维掺杂结构，它们之间具有无掺杂间隙。P掺杂横向边界103和n掺杂横向边界104中的每一者可以分别包含在上表面和下表面之间延伸的相对侧壁。如图所示，在一些实施例中，横向边界103和横向边界104可以包含暴露部分(例如，面朝外端延伸经过吸收体106的对应横向侧)和覆盖部分(例如，面朝内端在吸收区106下居中地延伸)。
p掺杂横向边界103的面朝外端接触第一端子113，而n掺杂横向边界104的面朝外端接触第二端子114。当在第一端子113和第二端子114之间施加电压降时，在p掺杂横向边界103的右侧壁和n掺杂横向边界104的左侧壁之间产生的电压差在其间的无掺杂间隙中产生电场(E-field)。电场(E-field)致使载流子穿过无掺杂间隙以通过碰撞倍增。因此，当施加这样的电压时，无掺杂间隙变成放大区112(例如，形成于p掺杂横向边界和n掺杂横向边界的内侧壁之间)。
在反向偏置的实施例中，p掺杂横向边界103排斥负载流子且将它们推向放大区112，而n掺杂横向边界104吸引负载流子且倾向于将它们从放大区112拉开。然而，在n掺杂横向边界104上方(例如，在n掺杂横向边界104的覆盖部分上方)的绝缘层124阻挡了从吸收区106穿过n掺杂横向边界104的顶部的泄漏路径。由于绝缘体处于适当的位置，被吸引到n掺杂横向边界104的载流子可以被重定向以穿越放大区112的部分以便从侧面(例如，如下文中关于图2B的更多详细描述)到达n掺杂横向边界104。绝缘层124可以包含硅氧化物、其它氧化物、氮化物、聚合物或掺杂区(例如，氢掺杂或反向掺杂)。在一些实施例中，绝缘层124可以是8nm-12nm厚。
在一些实施例中，半导体102中的无掺杂层122可以在p掺杂横向边界103、n掺杂横向边界104和放大区112下方延伸。附加的或替代的，半导体102中的无掺杂层132可以在p掺杂横向边界103、绝缘层124和放大区112上方延伸。
APD结构可以在衬底101上制造。衬底101可以具有在半导体102下面的任意数量和类型的层和结构。在一些实施例中，衬底101可以是具有原生Si(硅)层的绝缘体上硅(SOI)衬底，并且原生Si(硅)可以被用作半导体102中的部分。原生Si(硅)的表面可以被掺杂以形成p掺杂横向边界103和n掺杂横向边界104。无掺杂层122可以被保存在p掺杂横向边界103、n掺杂横向边界104和放大区112的下方。在形成绝缘层124之后，可以可选地形成半导体102中的另一无掺杂层132，且吸收区106可以形成于其上方。在一些实施例中，半导体102、吸收区106、或者两者可以是单晶材料。这样的层可以通过外延生长或任何其它合适的方法形成。
图1B示出了根据一个或多个公开的示例的更复杂的雪崩光电二极管。在该图中所展示的部分APD是类似于图1A的APD上的轮廓线区域“B”的内部区域。
APD的倍增增益取决于放大区中的电场(E-field)。这个电场通过跨三个电端子中的两者的电压降控制。在p掺杂横向边界和n掺杂横向边界之间的距离越短——即，形成放大区的无掺杂间隙越窄，运行APD所需的击穿电压越低。低的击穿电压减小了由APD消耗的功率，以及在一些实施例中，当嵌入传统设备中时，允许APD工作于现有的标准电压，比如基于CMOS架构的通用12V。
窄的(例如，100nm-500nm)放大区112更适合减小击穿电压，但因为吸收区106(见图1A)是相对宽的，将许多载流子重定向进入这个尺寸的区域可能是更困难的。一种解决方案是具有在第一端子113和第二端子114之间的多个窄的放大区112，如图1B中所示。这里，5个窄的放大区112是通过多个分离的p掺杂横向边界103和n掺杂横向边界104界定的，通过绝缘层124覆盖所有n掺杂横向边界104以防止泄露。如图所示，绝缘层124在一些n掺杂横向边界上完全延伸且在其它n掺杂横向边界上仅部分延伸；例如，绝缘层124可以被蚀刻或者以其它方式从附接第二端子114的接触区域被移除。可选地，绝缘层124可以在所有n掺杂横向边界上完全延伸。在这种情况下，可以形成过孔(via)穿过绝缘层124以使第二端子114与n掺杂横向边界104连接。
图2A示出了根据一个或多个公开的示例的光到光电的转换和电放大的过程。在操作251中，通过作为响应释放载流子的材料吸收(例如，在吸收区中)入射光子，以产生光电流。在操作252中，光电流穿过APD向下流到可用的最低阻抗路径。在操作253中，根据所取的路径的增益放大光电流(例如，在放大区中)。放大流经放大区的光电流，但可能不会倍增流入其它路径的光电流。最后，在操作254中，光电流作为正在被APD传送的信号离开。
图2B示出了穿过未屏蔽的n掺杂横向边界的光电流泄露。为简单起见，只有一个放大区212，一个p掺杂横向边界203和一个n掺杂横向边界204被示出。
光电流217A、227A和237A来源于吸收区206且进入半导体202。光电流217A在p掺杂横向边界203上方产生，但被p掺杂材料排斥以流向和流入较低阻抗的放大区212。光电流227A在放大区212上产生，通过n掺杂横向边界204拉向更低阻抗的路径，但仍然穿过部分的放大区212。然而，光电流237A在n掺杂横向边界204上方产生。因为所有其它路径是较高阻抗的，光电流237A在不穿过放大区212的任何部分的情况下径直流入n掺杂横向边界204。取决于APD其余部分的结构，虽然仍旧可以收集光电流237A，它不会被倍增且对输出信号的贡献不大。
图2C示出了根据一个或多个公开的示例通过屏蔽n掺杂横向边界重定向载流子穿过放大区。由于从吸收区206到n掺杂横向边界204的低阻抗泄露路径被绝缘层224直接阻挡，用于光电流237B的最低阻抗路径被重定向穿过放大区212，光电流237B在该处被放大(例如，与并没有被放大的光电流237A相比)。光电流227B在放大区212上方形成，但因为n掺杂横向边界204被绝缘层224屏蔽，光电流227B并没有立即被拉向n掺杂横向边界204。因此，光电流227B需要比图2A中的光电流227A更长的路径穿过放大区212。形成于相对远离n掺杂横向边界204的p掺杂横向边界203上方的光电流217B，和图2B中的光电流217A走的路径基本相同。
因此，绝缘层224阻挡非放大泄漏路径且将来自经阻挡路径的光电流重定向穿过放大区(例如，光电流237B)，使现有放大路径不被干扰(例如，光电流217B)，和/或增加穿过放大区(例如，光电流227B)的其它现有放大路径中的路径。相对于没有绝缘层224的APD，这导致了该APD的增益增加。
图3A示出了根据一个或多个公开的示例的雪崩光电二极管中的z向电场的仿真结果。绝缘层324(在这个仿真中通过反向掺杂形成)、n掺杂横向边界304、p掺杂横向边界303和放大区312被覆盖以供参考。暗色区域334A表示最强z向电场(E-field)，而白色光晕344表示较弱的，但仍然显著的z向电场(E-field)。
图3B示出了根据一个或多个公开的示例的雪崩光电二极管中的x向电场的仿真结果。绝缘层324(在该仿真中通过反向掺杂形成)、n掺杂横向边界304、p掺杂横向边界303和放大区312被覆盖以供参考。暗色区域334B表示最强x向电场(E-field)，而白色光晕344表示较弱的，但仍然显著的x向电场(E-field)。
图3A和图3B示出了电场(E-field)分布非常依赖场的方向。在图3A中的最强的z向电场(E-field)334A主要集中在正好位于绝缘层324下方的n掺杂横向边界304中，而在图3B中的最强x向电场(E-field)334B主要集中在位于n掺杂横向边界304旁边的放大区312中。
图3C示出了根据一个或多个公开的示例的雪崩光电二极管中的垂直光电流密度的仿真结果。绝缘层324(在这个仿真中通过反向掺杂形成)、n掺杂横向边界304、p掺杂横向边界303和放大区312被覆盖以供参考。暗色区域364表示最强的垂直光电流密度，而白色光晕374表示较弱的，但仍然显著的垂直光电流密度。
图3C展示了通过横向n掺杂硅区域边界304顶部的非常低的漏电流，大部分光电流在被收集之前穿过放大区312中的一者。
图4展示了根据一个或多个公开的示例的制造雪崩光电二极管的方法。在操作401中，提供衬底。操作402，根据被使用的衬底的类型，可以可选地在衬底上方形成半导体的第一层。例如，因为绝缘体上硅(SOI)芯片伴随有原生单晶硅的顶部层，SOI芯片无需操作402。可以在SOI芯片的顶部硅层插入P触点区域和N触点区域。
操作403包含对第一端子区域和放大区的p掺杂横向边界进行p掺杂。在可选的操作413中，可以形成至少一个额外的p掺杂横向边界。操作404包含对第二端子区域和放大区的n掺杂横向边界进行n掺杂。在可选的操作414中，可以形成至少一个额外的n掺杂横向边界。在操作405中，绝缘层在所有n掺杂横向边界上方形成(以及，如果必要，从不是n掺杂横向边界的区域中被移除)。例如，薄的硅氧化物层可以选择性地沉积在n掺杂横向边界的顶部上，或者绝缘层可以毯状沉积(blanket-deposited)于放大区和横向边界上方，然后选择性地从放大区和可能不被需要的其它任何地方蚀刻掉。绝缘层可以包含硅氧化物、其它氧化物、氮化物、聚合物或掺杂区(例如，氢掺杂的)。在一些实施例中，绝缘层124可以是8nm-12nm厚。
在操作406中，在p掺杂横向边界和n掺杂横向边界上方形成半导体的第二层。在操作407中，吸收材料层形成于半导体中的顶部层上方。在一些实施例中，针对这两个操作，可以连续生长外延硅层和外延锗层。在操作408中，吸收材料层的顶部区域被p掺杂以用作第三端子的触点。最后，在操作409中，形成到吸收区、p掺杂横向边界和n掺杂横向边界的电连接部。
图5A展示了根据一个或多个公开的示例的可以嵌入有集成光学电路的通用化的计算或通信装置。然而，如果装置缺少展示的组件中的任何一个，也不会被从所描述的保护范围中移除。输入/输出(I/O)接口501、处理器502、数据存储器503、动态存储器504或通信链路505中的任何一个或全部可以包括嵌入的集成光学子系统、连接件或传感器。
图5B示出了根据一个或多个公开的示例的在通用化的计算或通信装置中的与两个电模块交互操作的光学模块。光学模块511连接电模块512和电模块513。电子模块512和电子模块513中的每一者控制来自于光源521(例如，二极管激光器或发光二极管)的光的产生。例如，光源521可以被调制以编码信息。电子模块512、电子模块513中的每一者监控光电探测器531(例如，所公开的APD中的一者)的输出。更简单的示例中的一者是其中电子模块512、电子模块513为分布式组件(例如，存储器阵列或处理器核等)，而光学模块511是电子模块512和电子模块513之间的快速通信链路。
在一些实施例中，例如传感器、单一APD或APD阵列可以通过其本身被封装且直接耦合至电子模块。例如，APD可以直接(或者可选地通过防护面板或滤波器)感测光，而电子器件分析和输出或者使用信号电平。光可以是环境光或来自于APD装置之外的源。
并非在本说明书中的每个示例中都描述了实际实施例的所有特征。可以知晓的是在任一这样的实际示例的开发中，可以做出许多决定以实现开发者的针对特定实施例的具体目标，比如遵守与系统相关和业务相关的约束，这将从一个实施例改变到另一个实施例。此外，可以知晓这样的开发工作，即便是复杂的和费时的，对于受益于本公开的本领域技术人员来说也是常规的工作。
某些术语已经在整个说明书和权利要求书被用于指代系统组件。本领域技术人员可以知晓，不同当事人可以通过不同的名字指同一组件。本文件无意在名字上有区别而不是功能上有区别的组件之间进行区分。在本公开和权利要求中，术语“包括”被用在开放的形式，因此应该被解释为“包括，但不限于”。同样地，术语“耦合”旨在表示间接的或直接的有线或无线连接的意思。因此，如果第一装置耦合到第二装置，该连接可以通过直接连接或通过其它装置和连接件间接连接。陈述“基于”旨在表示“至少部分基于”的意思。因此，如果X基于Y，X可以是Y和任何数目个其它因子的函数。
上述讨论是为了本公开的原理和各种实施例的说明。一旦上述公开被充分了解，许多变更和修改对本领域技术人员来说是显而易见的。意图将下述权利要求书理解为包含所有这样的变更和修改。

Claims (12)

1.一种雪崩光电二极管，包括：
在衬底上的放大区；
在所述放大区的第一侧的p掺杂横向边界；
耦合到所述p掺杂横向边界的第一端子；
在所述放大区的第二侧的n掺杂横向边界；
耦合到所述n掺杂横向边界的第二端子；
在所述p掺杂横向边界、所述n掺杂横向边界和所述放大区上的吸收区；
耦合到所述吸收区的第三端子；以及
在所述吸收区和所述n掺杂横向边界之间的绝缘层，
其中，所述绝缘层选择性地形成在所述n掺杂横向边界的上方，以阻挡从所述吸收区穿过所述n掺杂横向边界的顶部的泄漏路径。
2.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，进一步包括在所述吸收区和所述第三端子之间的p掺杂触点区域。
3.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，进一步包括在所述p掺杂横向边界、所述n掺杂横向边界和所述放大区的共有底部表面和所述衬底之间的未掺杂层。
4.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，进一步包括在所述p掺杂横向边界、所述n掺杂横向边界和所述放大区的共有顶部表面和所述吸收区之间的未掺杂层。
5.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中所述衬底包括绝缘体上硅晶片。
6.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中在所述p掺杂横向边界和所述n掺杂横向边界之间的所述放大区为100纳米至500纳米宽。
7.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中所述放大区包括硅，且所述吸收区包括锗。
8.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中所述绝缘层包括氧化物、氮化物、聚合物或掺杂区中的至少一者。
9.根据权利要求1所述的雪崩光电二极管，其中所述绝缘层为8nm-12nm厚。
10.一种制造光电组件的方法，所述方法包括：
对半导体进行p掺杂以形成放大区的第一触点和p掺杂横向边界；
对所述半导体进行n掺杂以形成放大区的第二触点和n掺杂横向边界；
在所述n掺杂横向边界上方选择性地形成绝缘层；
在所述p掺杂横向边界、所述n掺杂横向边界和所述放大区上方形成吸收区；
对所述吸收区进行p掺杂以形成第三触点；以及
形成到所述第一触点、所述第二触点和所述第三触点的连接部，并且
其中，形成所述绝缘层以阻挡从所述吸收区穿过所述n掺杂横向边界的顶部的泄漏路径。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述半导体包括绝缘体上硅衬底的原生硅层。
12.根据权利要求10所述的方法，其中对所述半导体进行所述p掺杂进一步包括形成至少一个额外的p掺杂横向边界，且对所述半导体进行所述n掺杂进一步包括形成至少一个额外的n掺杂横向边界。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017019013A1 (en) * 2015-07-27 2017-02-02 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Doped absorption devices
CA3010845C (en) 2016-01-07 2023-09-19 Amirhossein Goldan Selenium photomultiplier and method for fabrication thereof
US11508869B2 (en) 2019-08-06 2022-11-22 Ohio State Innovation Foundation Lateral interband type II engineered (LITE) detector
JP7339561B2 (ja) * 2019-08-28 2023-09-06 日本電信電話株式会社 光検出器
CA3122672A1 (en) * 2020-06-19 2021-12-19 Mcmaster University Asymmetric lateral avalanche photodetector
CN114050193A (zh) * 2021-11-04 2022-02-15 江苏尚飞光电科技股份有限公司 一种日盲紫外线雪崩光电二极管阵列探测器
CN114739433B (zh) * 2022-04-15 2023-12-26 北京京东方光电科技有限公司 一种光电传感器信号读取电路及光电传感器装置

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101036216A (zh) * 2004-04-30 2007-09-12 派克米瑞斯有限责任公司 平面型雪崩光电二极管
CN101552303A (zh) * 2008-04-01 2009-10-07 Jds尤尼弗思公司 光电二极管及其制造方法
CN103165727A (zh) * 2013-03-15 2013-06-19 中国科学院半导体研究所 N型注入的红外至可见波长上转换装置及其制备方法
CN104303315A (zh) * 2012-05-29 2015-01-21 惠普发展公司，有限责任合伙企业 包括能独立控制的吸收区电场和倍增区电场的器件
CN106463566A (zh) * 2014-03-10 2017-02-22 科锐安先进科技有限公司 无金属接触的近红外锗光电探测器
CN107437570A (zh) * 2016-05-27 2017-12-05 比亚迪股份有限公司 雪崩光电二极管及其制造方法
CN107615495A (zh) * 2015-05-28 2018-01-19 日本电信电话株式会社 光接收元件和光学集成电路
CN108666382A (zh) * 2018-07-09 2018-10-16 长沙理工大学 Soi基lsambm雪崩光电二极管及其制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3821777A (en) * 1972-09-22 1974-06-28 Varian Associates Avalanche photodiode
FR2583577B1 (fr) * 1985-06-18 1987-08-07 Thomson Csf Procede de realisation d'un dispositif photodetecteur semi-conducteur a avalanche et dispositif ainsi realise
US6495380B2 (en) * 2000-12-11 2002-12-17 Nortel Networks Limited Epitaxially grown avalanche photodiode
US20080121866A1 (en) 2006-11-27 2008-05-29 Ping Yuan Avalanche photodiode detector
US8461624B2 (en) 2010-11-22 2013-06-11 Intel Corporation Monolithic three terminal photodetector
KR20140106625A (ko) 2011-12-29 2014-09-03 인텔 코오퍼레이션 낮은 항복 전압을 갖는 애벌랜치 포토다이오드
US9391225B1 (en) 2013-06-11 2016-07-12 Sandia Corporation Two-dimensional APDs and SPADs and related methods
US9755096B2 (en) 2014-03-10 2017-09-05 Elenion Technologies, Llc Lateral Ge/Si avalanche photodetector

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101036216A (zh) * 2004-04-30 2007-09-12 派克米瑞斯有限责任公司 平面型雪崩光电二极管
CN101552303A (zh) * 2008-04-01 2009-10-07 Jds尤尼弗思公司 光电二极管及其制造方法
CN104303315A (zh) * 2012-05-29 2015-01-21 惠普发展公司，有限责任合伙企业 包括能独立控制的吸收区电场和倍增区电场的器件
CN103165727A (zh) * 2013-03-15 2013-06-19 中国科学院半导体研究所 N型注入的红外至可见波长上转换装置及其制备方法
CN106463566A (zh) * 2014-03-10 2017-02-22 科锐安先进科技有限公司 无金属接触的近红外锗光电探测器
CN107615495A (zh) * 2015-05-28 2018-01-19 日本电信电话株式会社 光接收元件和光学集成电路
CN107437570A (zh) * 2016-05-27 2017-12-05 比亚迪股份有限公司 雪崩光电二极管及其制造方法
CN108666382A (zh) * 2018-07-09 2018-10-16 长沙理工大学 Soi基lsambm雪崩光电二极管及其制备方法

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US10854768B2 (en) 2020-12-01
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