CN111613690A - 具有改善的电场与光电流密度的匹配的三端子光电子部件 - Google Patents

具有改善的电场与光电流密度的匹配的三端子光电子部件 Download PDF

Info

Publication number
CN111613690A
CN111613690A CN202010105999.1A CN202010105999A CN111613690A CN 111613690 A CN111613690 A CN 111613690A CN 202010105999 A CN202010105999 A CN 202010105999A CN 111613690 A CN111613690 A CN 111613690A
Authority
CN
China
Prior art keywords
doped region
region
avalanche photodiode
contact
doped
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010105999.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111613690B (zh
Inventor
曾小鸽
黄志宏
梁迪
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hewlett Packard Development Co LP
Original Assignee
Hewlett Packard Development Co LP
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hewlett Packard Development Co LP filed Critical Hewlett Packard Development Co LP
Publication of CN111613690A publication Critical patent/CN111613690A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111613690B publication Critical patent/CN111613690B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/112Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by field-effect operation, e.g. junction field-effect phototransistor
    • H01L31/1127Devices with PN heterojunction gate
    • H01L31/1129Devices with PN heterojunction gate the device being a field-effect phototransistor
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/0224Electrodes
    • H01L31/022408Electrodes for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L25/00Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
    • H01L25/16Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
    • H01L25/167Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits comprising optoelectronic devices, e.g. LED, photodiodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/02Details
    • H01L31/02016Circuit arrangements of general character for the devices
    • H01L31/02019Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • H01L31/02027Circuit arrangements of general character for the devices for devices characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier for devices working in avalanche mode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/0248Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
    • H01L31/0352Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions
    • H01L31/035272Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by their shape or by the shapes, relative sizes or disposition of the semiconductor regions characterised by at least one potential jump barrier or surface barrier
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/08Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
    • H01L31/10Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
    • H01L31/101Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
    • H01L31/102Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
    • H01L31/107Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
    • H01L31/1075Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/18Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof
    • H01L31/1804Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment of these devices or of parts thereof comprising only elements of Group IV of the Periodic Table
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Light Receiving Elements (AREA)

Abstract

一种三端子雪崩光电二极管提供了跨光吸收区域两端的第一可控电压降和跨光电流放大区域两端的第二独立可控电压降。所述吸收区域和所述放大区域的组成可以独立于彼此被优化。在所述放大区域中,p掺杂结构和n掺杂结构在水平方向和竖直方向上都彼此偏移。直接在光电流路径的受控区域两端施加电压会通过使电场成形为与光电流密度重叠来提高雪崩增益。所产生的高增益、低偏置雪崩光电二极管可以使用商用CMOS工艺在集成光学电路中制造,通过成熟计算机架构常用的电源来操作,并用于光学互连、光感测和其他应用。

Description

具有改善的电场与光电流密度的匹配的三端子光电子部件
关于联邦赞助的研究或开发的声明
本发明是在MPO的协议号H98230-18-3-0001的政府支持下完成的。美国政府对本发明享有一定的权利。
背景技术
在光电子领域中,集成光学电路或子组件可以被设计成用于替换其在计算设备、信号处理设备和其他设备中的电子对应物。近年来,制造大规模光学电路、特别是硅光子器件的成本已经显著降低。然而,对于某些应用来说,全光学器件可能还是并不实际。在一些器件中,可以策略性地将高速和/或宽带光学部件与低功率或低成本电子部件结合。将光学信号转换为电子信号的光电检测器在光学部件与电子部件之间的接口处发挥关键作用。
集成光学电路中的光学信号水平可能非常低。首先,光源通常是低功率的,以便既节约能量又避免耗散足以使整体设备性能降级的余热。其次,源光中的一部分可能在电路中的波导和其他光学器件中丢失。因此,这些集成光学电路中的光电检测器优选地在弱光水平下运行良好。
雪崩光电二极管(APD,avalanche photodiode)是一种光电检测器,其中,由于光子的吸收而产生的电荷载流子进入通过碰撞来释放其他电荷载流子的增益区域。这些其他电荷载流子也在增益区域中进行碰撞,它们中的每一个又释放多个另外的电荷载流子。对于进入增益区域的每个电荷载流子,更多的电荷载流子离开,从而被下游电子器件所接收。因此,弱光光学输入会产生放大的电输出。
APD的放大机制可与在经典光学器件中常用于弱光检测的光倍增管的操作相比较。然而,与光倍增管不同的是,APD可以使用已经在半导体制造中表征和使用的材料和工艺、在小型化规模的集成光学芯片上进行制造。
附图说明
当结合附图阅读时,从以下详细描述中可以更好地理解本公开。需要强调的是,根据行业中的标准实践,各种特征没有按比例绘制。事实上,功能属性的尺寸或位置可以基于设计、安全性、性能或计算机系统领域中已知的其他因素来重新定位或组合。另外,针对一些功能,在内部和相对于彼此改变处理的顺序。即,一些功能可能不使用串行处理,因此可以以不同于所示的顺序执行或者可能彼此并行执行。对于各种示例的详细描述,现在将参考附图,在附图中:
图1A图示了根据一个或多个所公开示例的简化雪崩光电二极管(APD)。
图1B图示了根据一个或多个所公开示例的更复杂的雪崩光电二极管。
图2A是流程图,描绘了用于将光转换为光电流并放大所述光电流的方法。
图2B图示了具有在水平方向上分隔开但在竖直方向上未分隔开的n掺杂区域和p掺杂区域的APD中的光电流。
图2C图示了具有在水平方向上和竖直方向上分隔开的n掺杂区域和p掺杂区域的APD中的光电流。
图3A图示了根据一个或多个所公开示例的p掺杂区域与n掺杂区域之间无竖直间隔的雪崩光电二极管中的电场的模拟结果。
图3B图示了根据一个或多个所公开示例的p掺杂区域与n掺杂区域之间有竖直间隔的雪崩光电二极管中的电场的模拟结果。
图4A图示了根据一个或多个所公开示例的p掺杂区域与n掺杂区域之间有竖直间隔的APD的暗电流-电压(I-V)曲线。
图4B图示了根据一个或多个所公开示例的APD中的载流子碰撞电离密度。
图5图示了根据一个或多个所公开示例的用于制造雪崩光电二极管的方法。
图6A图示了根据一个或多个所公开示例的可以将集成光学模块比如APD等嵌入其中的计算设备。
图6B图示了与两个电子模块互操作的集成光学模块。
具体实施方式
已经出于说明的目的而呈现了对不同的有利示例的描述,所述描述并不旨在穷举示例或者使示例限于所公开的形式。对于本领域普通技术人员而言,许多修改和变化将是显而易见的。另外,不同的有利示例可以提供与其他有利示例相比不同的优点。选择并且描述选定的一个或多个示例,以便最佳地解释这些示例的原理、实际应用,并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本公开的具有适于预期用途的各种修改的各种示例。
在详细地描述本公开之前,应当理解的是,除非另外指出,否则本公开不局限于特定过程或制品,无论是否对过程或制品进行了描述。还应当理解的是,本文中所使用的术语仅出于对特定示例进行描述的目的,而并不旨在限制本公开的范围。
利用集成光学器件来替换集成电路可以显著提高设备可以收集和分发信息的速度。然而,许多光电子部件可能需要比它们所替换的电子器件更多的功率来运行。例如,当将光电子子系统集成到现有电子设备中时,出现了提供足够的操作功率的挑战。雪崩光电二极管(APD)使用25V(大于两倍的典型CMOS计算机架构的12V限制)的偏置。由于用于实现击穿的高偏置电压,APD的功耗也很高。
为了本文献的目的,“半导体”是导电性高于绝缘体的导电性但低于大多数金属的导电性的固体物质。半导体的导电性随温度而提高,并且也可以通过添加杂质(“掺杂”)来提高。“衬底”是一种工件,比如,晶片、芯片、光学窗、或在其上制造部件(比如所公开的APD)的其他支撑结构。衬底可以在APD的层级之下包括先前制造的层和/或结构。“层(layer)”是沉积、生长、通过掺杂产生或以其他方式形成在衬底上或在衬底上方的层(stratum)。术语“层”可以包括层压板和其他堆叠、以及单材料层(stratum)。“吸收体”或“吸收材料”是吸收光并产生光电流的任何材料。
“电荷载流子”应当指的是在正向和反向偏置器件两者中被电子或空穴所吸引的物质。带负电荷的电子朝向具有更高电压的端子移动。反向偏置器件的示例不能排除正向偏置变体的可能性。“放大”指的是增大光电流的幅值,比如当由于光子的吸收而释放的电荷载流子在放大区域中由于碰撞而倍增时。“端子”可以指电极或者指连接到电极的导电引线。
术语“上方”、“之上”、“下方”、“之下”和“下面”可以包括“与……接触”或“通过中间层分隔开”。“横向”应当指的是“在平行于衬底表面的方向上”。
APD被认为是以两种方式作用于传入光:(1)吸收光,使得初始光电流流动,以及(2)将光电流放大到可由下游电子器件使用的水平,有时被称为“光倍增”。在一些简单的APD中,吸收和放大发生在半导体材料比如硅(Si)或锗(Ge)等的单一区域中。然而,在硅光子器件的1300nm至1500nm的近红外操作波长处,Ge可能对于吸收光子和发出电荷载流子更有效,而Si可能对于倍增电荷载流子更有效。将吸收功能和放大功能分离到不同的区域(可选地具有不同的组成)中允许对功能进行独立优化,而不是相互取舍。
一些现有APD比如分离吸收电荷倍增(SACM)APD等通过在吸收区域与放大区域之间插入专门设计的带电材料层来降低击穿电压。其他器件可能不会在所述区域之间没有这种带电材料层的情况下包括或形成APD。所述带电层将电场集中到放大区域中,从而使得所施加的偏置电压中的大多数跨放大区域两端下降。然而,带电层有光学损耗,并且其复杂的掺杂分布可能导致良率低。
用于降低APD中的偏置电压的另一种方法是添加第三电端子。三端子APD提供在吸收区域与放大区域之间(例如,跨吸收区域两端)的第一电压降、以及可独立控制的跨放大区域两端的第二电压降。可以使用这两个电压降之一来控制吸收区域中的电场(E场),而使用另一个来独立控制放大区域中的E场。这种方法可能使得光子吸收增大,这进而增大了初始生成的光电流。然而,此光电流的显著部分可能直接从APD的吸收区域行进到收集区域(例如,吸收区域下方的n掺杂区域)。绕过放大区域的光电流不会被倍增,并且因此仅对输出信号做出微弱的贡献。
此外,添加第三端子和第二电压降会导致放大区域中E场与光电流密度(PCD,photocurrent density)的空间分布的失配。影响这些器件中的增益的因素之一是碰撞电离密度(IID,impact ionization density)。IID取决于E场与PCD的重叠。在简单的两端子APD中,E场和PCD倾向于自然地重叠,但是三端子APD包括用于减轻此类失配和增大IID的额外设计努力。
在所公开示例中,电荷载流子的生成发生在APD的第一区域(例如,具有光吸收材料的区域)中,并且其倍增发生在单独的第二区域(例如,由本征(intrinsic)放大材料中的电场产生的放大区域;APD可以包括一个放大区域或多个放大区域)中。这种方法允许针对每个区域中的材料的特定功能对所述材料进行独立优化。此外,所公开示例使用三个电端子来提供两个可独立控制的电压降。这两个电压降之一确定流经吸收区域的电流,而另一个确定流经放大区域的电流。
放大材料的第一表面区域可以是p掺杂的,以形成第一端子的接触件。放大材料的第二表面区域可以是n掺杂的,以形成第二端子的接触件。吸收材料的表面区域是p掺杂的,以形成第三端子的接触件。放大材料的p掺杂区域和n掺杂区域可以在吸收材料之下延伸,以包围放大材料的未掺杂(本征)空隙。提供放大的电场是在p掺杂区域与n掺杂区域之间的此未掺杂空隙中产生。APD的增益受到电场强度、所生成的电荷载流子中穿过电场的部分、以及行进通过电场的电荷载流子所穿越的路径长度的影响。
在这些示例中,吸收区域中生成的负电荷载流子被p掺杂区域排斥并被吸引到n掺杂区域。如果放大材料中的p掺杂区域和n掺杂区域的顶表面(最靠近吸收区域)是共面的,则电场的最强部分将处于共享的顶面之下。正巧行进到空隙中的电荷载流子将被放大,而其他的电荷载流子将从吸收区域直接行进到n掺杂区域的顶表面而不会被放大。然而,如果n掺杂区域的顶部比p掺杂区域的顶部低(即,距吸收区域更远),则电荷载流子具有更大机会穿越更长的距离通过所产生的“成角度”的E场,从而使得APD增益增大。
可选地,可以在第一端子与第二端子之间的多对p掺杂区域与n掺杂区域之间形成多个放大空隙。它们之间的每个空隙支持一个成角度的E场。
所产生的具有增大的增益和较低的偏置电压的APD用于集成光学组件、组合光学/电子电路、以及电子模块之间的光学连接。它们在狭小或拥挤的空间、弱光条件、热敏感环境或可用的操作功率或偏置电压有限的情况下具有特殊优势。具有增强的灵敏度、能够在现有计算机架构的标准偏置电压下操作的APD可以显著改善在通信中(例如,数据通信应用和电信应用中)和信息收集中(例如,用于物联网、LiDAR、量子计算、生物/医疗应用等的传感器中)的集成光学器件的性能。
图1A图示了根据一个或多个所公开示例的简化雪崩光电二极管(APD)100。三个电端子——第一端子113、第二端子114和第三端子115——通过提供可以独立设置的两个不同的电压降来控制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更低的电压;在正向偏置器件中,会出现相反的情况。
第三端子115接触通过对吸收材料进行p掺杂形成的吸收体接触区域105。吸收区域106包括未掺杂的吸收材料。吸收材料可以是在APD的操作波长下吸收光子并发出相应的电荷载流子光电流的任何材料或多材料结构(例如,层堆叠)。例如,在1300nm至1550nm的近红外范围中,锗(Ge)是强吸收体和众所周知的半导体制造材料。砷化铟镓(InGaAs)是高达1600nm的波长下的替代性近红外吸收体。Si在小于1100nm的波长下有效。
为了倍增电荷载流子并放大光电流,通过未掺杂半导体102的p掺杂区域103与n掺杂区域104之间的E场在该半导体中形成放大区域112。半导体102可以是易于在存在E场的情况下倍增入射电荷载流子的任何材料。如果吸收区域106非常高效,并且几乎将所有入射光都转换为光电流,则可能不需要半导体102同样也是强光吸收体。因此,具有非常低的倍增噪声并且也属于著名且低成本的半导体制造材料的硅(Si)可以用作半导体102。相反,强吸收体比如InGaAs和Ge等具有更高的倍增噪声,并且可能因此与Si相比不太适合用作放大材料。
p掺杂区域103和n掺杂区域104在半导体102层中形成,其中,在这两个区域之间存在未掺杂空隙122。在一些示例中,p掺杂区域103的顶表面与n掺杂区域104的顶表面相比在衬底101上方更高处。在一些示例中,p掺杂区域103的顶表面和底表面两者都比n掺杂区域104的顶表面在衬底101上方更高处。p掺杂区域103与n掺杂区域104之间的竖直位移可能影响未掺杂空隙中的E场。如此,竖直位移是可以优化以改善E场与光电流之间的匹配的附加参数。
p掺杂区域103的外端接触第一端子113,而n掺杂区域104的外端接触第二端子114。如图所示,n掺杂区域104被埋在半导体102层的下方,并且端子114延伸通过该层以接触n掺杂区域104,而p掺杂区域103和吸收体接触区域105未埋在类似层下方。这仅是在不同深度处形成的掺杂区域的许多可能连接选项之一:针对如在此示出的n掺杂区域104的任何掺杂区域,可以将上覆的半导体材料保留在位,并且可以穿过该材料钻出(或以其他方式形成)连接通孔。可替代地,如在此示出的p掺杂区域103和吸收体接触区域105的任何未掺杂区域可以不存在上覆的半导体材料。上覆的半导体材料可以通过某一其他合适的工艺来蚀刻掉或者移除,或者可以从未存在(例如,如果通过表面处理而不是次表面植入来实现掺杂)。衬底的类型、掺杂方法、周围结构的类型、对制造工具的需求和其他约束可能使一种制造工艺优于另一种,但是所公开的概念可以涵盖一系列已知的制造工艺。
当在第一端子113与第二端子114之间施加电压时,在p掺杂区域103与n掺杂区域104之间的所产生的电压差在未掺杂空隙122中产生静态E场112。此图示示出了理想的t=0状态下的APD,即在导通器件并施加期望的电压差、但没有光入射到器件上(并且随机暗电流低至足以忽略)时,因此,在所图示的时刻,无电荷载流子移动通过器件。静态E场112(以下称为“E场112”)限定APD的放大区域。因为n掺杂区域104被定位成比p掺杂区域103距吸收体106更远,所以E场112在竖直方向上(在附图的坐标系中)和水平方向上延伸。
APD 100结构可以在衬底101上制造。衬底101在半导体102之下具有任何数量和类型的层和结构。在一些实施方式中,衬底101可以是具有原生(native)Si层的绝缘体上硅(SOI)衬底,并且原生(native)Si可以用作半导体102的一部分。Si的一个或多个附加层可以在形成p掺杂区域103和n掺杂区域104的掺杂之前或之后添加,并且吸收区域106可以在所述附加层上方形成。在一些实施方式中,半导体102、吸收区域106或这两者都可以是单晶材料。此类层可以通过外延(epitaxy)或任何其他合适的方法来形成。
图1B图示了根据一个或多个所公开示例的更复杂的雪崩光电二极管。此图中示出的APD的部分是类似于图1A中的轮廓区域“B”的内部区。
APD 100的倍增增益部分地取决于E场112。E场112由端子113与端子114之间的电压差控制。p掺杂区域103与相邻的n掺杂区域104之间的距离越短,即,其中形成E场112的未掺杂空隙越窄,则用于操作APD的击穿电压越低。低击穿电压降低了APD所消耗的功率,并且在一些实施方式中,允许APD在被嵌入传统设备中时在现有标准电压(比如基于CMOS的架构常用的12V)下操作。
用于E场112的窄(例如,100nm至500nm)空隙对于降低击穿电压而言是优选的,但是可能很难将许多电荷载流子从相对宽的吸收区域106(参见图1A)重新定向到单个非常窄的E场112中。一种解决方案是在如图1B那样在第一端子113与第二端子114之间创建多个窄空隙。在此,五个窄的E场112由多个离散的p掺杂区域103和n掺杂区域104来界定,其中,所有n掺杂区域104被定位成比所有p掺杂区域更低(即,距吸收区域更远),使得所有E场112在相邻的n掺杂区域与p掺杂区域之间对角地(例如,不共面)延伸。
图2A是流程图,描绘了用于将光转换为光电流并放大所述光电流的方法250。在操作251中,入射光子由响应地释放电荷载流子的材料吸收(例如,在吸收区域中),从而产生光电流。在操作252中,光电流沿着可用的最低阻抗路径(一条或多条)流过APD。在操作253中,根据光电流选取的路径的增益来放大光电流(例如,在E场中)。流过放大E场的光电流被放大,但是在其他路径中流动的光电流可能不会被倍增。最后,在操作254中,光电流离开,作为被APD传送的信号。
图2B图示了具有在水平方向上分隔开但在竖直方向上未分隔开的n掺杂区域和p掺杂区域的APD中的光电流。为简单起见,仅示出了一个放大E场212、一个p掺杂区域203和一个n掺杂区域204。
光电流217A、227A和237A源自吸收区域206并行进到半导体202中。在反向偏置的实施方式中,p掺杂区域203排斥负电荷载流子并且将它们推向E场212,而n掺杂区域204吸引负电荷载流子并且倾向于将它们拉离放大区域212。光电流217A在p掺杂区域203上方生成,但被p掺杂材料排斥,以流向并流入E场212。光电流227A直接在E场212上方生成,通过n掺杂区域204被拉向甚至更低阻抗的路径,但仍穿过E场212的一部分。相比而言,光电流237A直接在n掺杂区域204上方生成。因为所有其他路径都具有更高阻抗,光电流237A直接流入n掺杂区域204而不会穿越E场212。取决于APD的其余部分的构造,尽管原始光电流237A可能仍会被收集,但是其不会被倍增并且因此不会对输出信号做出太大贡献。
图2C图示了具有在水平方向上和竖直方向上分隔开的n掺杂区域和p掺杂区域的APD中的光电流。为简单起见,仅示出了一个放大E场212、一个p掺杂区域203和一个n掺杂区域204。
在反向偏置的实施方式中,p掺杂区域203排斥负电荷载流子并且将它们推向E场212,而n掺杂区域204吸引负电荷载流子并且倾向于将它们拉离放大区域212。然而,因为n掺杂区域204被布置成比p掺杂区域203更远离吸收区域206,所以所产生的对角E场212在三个光电流217B、227B和237B到n掺杂区域204的路径的某点处捕获该三个光电流的全部。因此,p掺杂区域203与n掺杂区域204之间的竖直位移可以使得更多来自吸收区域206的光电流被放大。因此,图2C中的APD可以具有比图2B中的APD更高的增益。
图3A图示了根据一个或多个所公开示例的p掺杂区域与n掺杂区域之间无竖直间隔的雪崩光电二极管中的电场的模拟结果。E场312A大部分被集中在n掺杂区域304A与p掺杂区域303A共享的顶平面P的下方。然而,光电流307A被集中在n掺杂区域304A的顶部,并且展现出几乎不与E场312A重叠。这表明在吸收区域306A中生成并行进通过半导体302A的光电流307A未穿过E场312A的最强部分。因此,光电流307A未被显著放大,并且APD增益可能会有些低。
图3B图示了根据一个或多个所公开示例的p掺杂区域与n掺杂区域之间有竖直间隔的雪崩光电二极管中的电场的模拟结果。p掺杂区域303B的顶部与n掺杂区域304B的顶部之间的高度差H使得E场312B散布在n掺杂区域304B的顶表面上方(大部分光电流307B也集中在此)。这种E场312B与光电流307B之间的更佳重叠表明在吸收区域306B中生成并行进通过半导体302B的光电流307B比图3A中的光电流307A穿过更强且更大范围的E场312B。因此,光电流307A被更显著地放大,并且预期APD增益也更高。
图5图示了根据一个或多个所公开示例的用于制造雪崩光电二极管的方法500。曲线408示出了接近约4.5V反向偏置的雪崩击穿418。这很好地处于计算机架构上可用的12V之内。
图4B图示了根据一个或多个所公开示例的APD中的碰撞电离击穿。E场412在半导体402中的p掺杂区域403与n掺杂区域404之间产生。此模拟结果对应于图4A的暗I-V曲线的雪崩击穿情况,并且表明击穿的主要原因是碰撞电离、而非带间隧穿。碰撞电离与碰撞所引起的放大有关,并且对增益做出贡献,而带间隧穿则不然。
图5图示了根据一个或多个所公开示例的用于制造雪崩光电二极管的方法500。在操作501中,提供衬底。操作502,在衬底上方形成第一半导体层,这取决于所使用的衬底类型而是可选的。例如,使用绝缘体上硅(SOI)衬底将避免操作502,因为SOI衬底具有原生(native)单晶硅顶层。在一些示例中,P接触区域和N接触区域可以被植入SOI芯片的顶部硅层。
操作503涉及形成包括端子接触表面的n掺杂区域。在可选的操作513中,可以形成至少一个附加的n掺杂区域。例如,可以通过植入施体离子来形成n掺杂区域(一个或多个)。在可选的操作504中,如果需要,则可以在n掺杂区域(一个或多个)上方形成第二半导体层,以在n掺杂区域与p掺杂区域之间提供竖直间隔。例如,如果n掺杂区域(一个或多个)是通过深层植入形成的,并且同一Si层仍具有浅层植入受体离子的空间,则不需要操作504。操作505涉及形成包括端子接触表面的p掺杂区域。在可选的操作515中,可以形成至少一个附加的p掺杂区域。在可选的操作506中,如果需要,则可以在p掺杂区域和n掺杂区域上方形成附加的半导体层。
在操作507中,在半导体顶层上方形成吸收材料层。在一些实施方式中,可以为进行这两个操作而使外延硅层和外延锗层相继生长。在操作508中,对吸收材料层的顶部区域进行p掺杂,以将其用作第三端子的接触件。最后,在操作509中,形成到吸收区域、p掺杂区域和n掺杂区域的电连接。
图6A图示了根据一个或多个所公开示例的可以将集成光学模块比如APD等嵌入其中的计算设备600。然而,缺少所图示的部件中的任何一个不会使设备脱离本说明书的范围。输入/输出(I/O)接口601、处理器602、数据存储装置603、动态存储器604或通信链路605中的任何一个或全部包含嵌入式集成光学子系统、连接和/或传感器。
图6B图示了根据一个或多个所公开示例的计算设备700中的与两个电子模块612和613互操作的集成光学模块611。应当理解的是,虽然未示出,但是计算设备700可以包括除了集成光学模块611、电子模块612和613以及APD之外的、计算设备600的部件中的一个或多个。集成光学模块611连接电子模块612和613。电子模块612、613中的每一个控制来自光源621(比如,二极管激光器或发光二极管)的光的产生。例如,光源621可以被调制以对消息进行编码。电子模块612、613中的每一个监测光电检测器631(比如,所公开的APD之一)的输出。更简单的示例之一是:电子模块612、613是比如存储器阵列或处理器核等分布式部件,并且集成光学模块611是它们之间的快速通信链路。
在一些实施方式比如传感器等中,单个APD或APD阵列可以单独封装并直接耦接到电子模块,其连接如图6B中所示。例如,APD可以直接感测光,或者可选地通过保护性面板或滤光片感测光,并且电子器件分析和输出或使用信号水平。所述光可以是环境光、或者来自APD的设备外部的源。
并非本说明书的每个示例中都描述实际实施方式的所有特征。应当理解,在任何这样的实际示例的开发中,可以做出许多决策来实现开发者的针对特定实施方式的特定目标,比如符合系统相关和商业相关的约束,这些约束将因实施方式而不同。此外,将理解的是,此类开发工作虽然复杂且耗时,但对于受益于本公开的本领域普通技术人员而言将是常规任务。
在本说明和权利要求中使用了某些术语来指代特定系统部件。如本领域技术人员将理解的,不同方可以用不同的名称来指代部件。本文档无意区分名称不同但功能相同的部件。在本公开和权利要求中,术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用,因此应该被解释为意味着“包括但不限于……”。此外,术语“耦接”意在表示间接或直接有线或无线连接。因此,如果第一设备耦接到第二设备,则这个连接可以通过直接连接或者经由其他设备和连接的间接连接。叙述“基于”意在表示“至少部分基于”。因此,如果X基于Y,那么X可能是Y和任意数量的其他因素的函数。
上述讨论意在说明本公开的原理和各种实施方式。一旦充分理解了上述公开,许多变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。以下权利要求旨在被解释为包含所有这些变化和修改。

Claims (20)

1.一种雪崩光电二极管,包括:
布置在衬底上方的放大材料的层;
所述放大材料中的n掺杂区域;
耦接到所述n掺杂区域的第一端子;
所述放大材料中的p掺杂区域;
耦接到所述p掺杂区域的第二端子;
吸收区域,所述吸收区域包括布置在所述放大材料的层上方的吸收材料层;以及
耦接到所述吸收材料层的第三端子;
其中,所述n掺杂区域和所述p掺杂区域在水平方向和竖直方向上都被未掺杂的放大材料的空隙分隔开。
2.如权利要求1所述的雪崩光电二极管,还包括所述吸收区域与所述第三端子之间的p掺杂接触区域。
3.如权利要求1所述的雪崩光电二极管,其中,所述p掺杂区域的顶表面与所述n掺杂区域的顶表面相比在所述衬底上方更高的高度处。
4.如权利要求1所述的雪崩光电二极管,其中,所述p掺杂区域的顶表面和底表面两者与所述n掺杂区域的顶表面相比都在所述衬底上方更高的高度处。
5.如权利要求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.如权利要求1所述的雪崩光电二极管,其中,所述p掺杂区域与所述n掺杂区域之间的所述空隙为100纳米至500纳米宽。
7.如权利要求1所述的雪崩光电二极管,其中,所述放大材料包括硅,并且所述吸收材料包括锗。
8.一种计算设备,包括:
雪崩光电二极管;以及
第一电子模块,用于接收来自所述雪崩光电二极管的信号;
其中,
所述雪崩光电二极管的吸收区域用于吸收光并发出相应的光电流;
所述雪崩光电二极管的在p掺杂区域与n掺杂区域之间的未掺杂空隙中的电场用于放大所述光电流;以及
从所述吸收区域到所述n掺杂区域的距离大于从所述吸收区域到所述p掺杂区域的距离。
9.如权利要求8所述的计算设备,其中,所述第一电子模块包括输入/输出接口、处理器、数据存储装置、动态存储器和通信链路中的至少一个。
10.如权利要求8所述的计算设备,其中,所述雪崩光电二极管用于直接感测来自外部源的光。
11.如权利要求8所述的计算设备,其中,所述雪崩光电二极管被结合在集成光学模块中。
12.如权利要求11所述的计算设备,其中,所述集成光学模块包括输入/输出接口、处理器、数据存储装置、动态存储器和通信链路中的至少一个。
13.如权利要求11所述的计算设备,其中,所述集成光学模块包括内部光源。
14.如权利要求13所述的计算设备,还包括第二电子模块,用于控制所述内部光源。
15.如权利要求14所述的计算设备,其中,所述雪崩光电二极管用于接收来自所述内部光源的光,并且所述信号对应于所述光的特性。
16.一种用于制造光电子部件的方法,所述方法包括:
对半导体进行n掺杂以形成第一接触件和n掺杂区域;
对所述半导体进行p掺杂以在所述n掺杂区域上方和旁边形成第二接触件和p掺杂区域,从而在所述p掺杂区域与所述n掺杂区域之间留出未掺杂的空隙;
在所述p掺杂区域和所述n掺杂区域上方形成吸收区域;
对所述吸收区域进行p掺杂以形成第三接触件;以及
形成到所述第一接触件、所述第二接触件和所述第三接触件的连接。
17.如权利要求16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。
18.如权利要求16所述的方法,其中,所述对所述半导体进行p掺杂还包括形成至少一个附加的p掺杂区域,并且所述对所述半导体进行n掺杂还包括形成至少一个附加的n掺杂区域。
19.如权利要求16所述的方法,其中,所述形成连接包括形成贯穿覆盖于所述第一接触件、所述第二接触件或者所述第三接触件中的至少一个上的半导体层的通孔。
20.如权利要求16所述的方法,还包括在所述形成所述连接之前,从所述第一接触件、所述第二接触件或者所述第三接触件中的至少一个移除上覆的半导体材料。
CN202010105999.1A 2019-02-22 2020-02-20 具有改善的电场与光电流密度的匹配的三端子光电子部件 Active CN111613690B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/283,224 US10797194B2 (en) 2019-02-22 2019-02-22 Three-terminal optoelectronic component with improved matching of electric field and photocurrent density
US16/283,224 2019-02-22

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111613690A true CN111613690A (zh) 2020-09-01
CN111613690B CN111613690B (zh) 2022-04-26

Family

ID=72139343

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010105999.1A Active CN111613690B (zh) 2019-02-22 2020-02-20 具有改善的电场与光电流密度的匹配的三端子光电子部件

Country Status (3)

Country Link
US (1) US10797194B2 (zh)
CN (1) CN111613690B (zh)
DE (1) DE102020104561B4 (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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
CN114220886A (zh) * 2021-12-14 2022-03-22 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种拉通型硅apd阵列及其像元间隔离方法
US11710798B2 (en) 2016-01-07 2023-07-25 The Research Foundation For The State University Of New York Selenium photomultiplier and method for fabrication thereof

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10680131B2 (en) * 2015-07-27 2020-06-09 Hewlett Packard Enterprise Development Lp Doped absorption devices
TW202111934A (zh) * 2019-08-22 2021-03-16 美商光程研創股份有限公司 光電流放大裝置
CA3122672A1 (en) * 2020-06-19 2021-12-19 Mcmaster University Asymmetric lateral avalanche photodetector
US11450782B2 (en) * 2020-09-03 2022-09-20 Marvell Asia Pte Ltd. Germanium-on-silicon avalanche photodetector in silicon photonics platform, method of making the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103262264A (zh) * 2010-11-22 2013-08-21 英特尔公司 单片三端子光电检测器
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

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7683397B2 (en) 2006-07-20 2010-03-23 Intel Corporation Semi-planar avalanche photodiode
US8269223B2 (en) 2010-05-27 2012-09-18 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Polarization enhanced avalanche photodetector and method thereof
WO2013101110A1 (en) 2011-12-29 2013-07-04 Intel Corporation Avalanche photodiode with low breakdown voltage
US9755096B2 (en) 2014-03-10 2017-09-05 Elenion Technologies, Llc Lateral Ge/Si avalanche photodetector
CN105655437A (zh) 2016-03-11 2016-06-08 电子科技大学 一种紫外雪崩光电探测器
JP7169751B2 (ja) * 2018-03-15 2022-11-11 キヤノン株式会社 撮像素子およびそれを有する電子機器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103262264A (zh) * 2010-11-22 2013-08-21 英特尔公司 单片三端子光电检测器
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

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11710798B2 (en) 2016-01-07 2023-07-25 The Research Foundation For The State University Of New York Selenium photomultiplier and method for fabrication thereof
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
CN114220886A (zh) * 2021-12-14 2022-03-22 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种拉通型硅apd阵列及其像元间隔离方法
CN114220886B (zh) * 2021-12-14 2023-11-24 中国电子科技集团公司第四十四研究所 一种拉通型硅apd阵列及其像元间隔离方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE102020104561B4 (de) 2023-03-23
US20200274019A1 (en) 2020-08-27
CN111613690B (zh) 2022-04-26
US10797194B2 (en) 2020-10-06
DE102020104561A1 (de) 2020-08-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111613690B (zh) 具有改善的电场与光电流密度的匹配的三端子光电子部件
CN111354807B (zh) 雪崩光电二极管及制造光电组件的方法
Zimmermann et al. Integrated silicon optoelectronics
US9391225B1 (en) Two-dimensional APDs and SPADs and related methods
KR101891150B1 (ko) 저전압 광검출기
US6515315B1 (en) Avalanche photodiode for high-speed applications
JP3872473B2 (ja) 高速フォトダイオード、およびこれを形成する方法
US8772729B1 (en) APDs using nano-plasmonic metamaterials
US20150076641A1 (en) Avalanche Photodiodes with Defect-assisted Silicon Absorption Regions
US10811549B2 (en) Quantum-dot-based avalanche photodiodes on silicon
Cansizoglu et al. A new paradigm in high-speed and high-efficiency silicon photodiodes for communication—Part II: device and VLSI integration challenges for low-dimensional structures
Matavulj et al. The influence of nonstationary carrier transport on the bandwidth of pin photodiode
JP7445152B2 (ja) アバランシェフォトダイオード
Berger Metal-semiconductor-metal photodetectors
JP6362142B2 (ja) ゲルマニウム受光器
Atef et al. High-speed photodiodes in 40 nm standard CMOS technology
Liu et al. Enhanced initial photocurrent caused by the multiplication process at punch-through voltage in InGaAs/InP avalanche photodiode with highly doped charge layer
TWI720124B (zh) 光學裝置
Hermans et al. Gigabit photodiodes in standard digital nanometer CMOS technologies
Wang et al. Investigation of high-speed Si photodetectors in standard CMOS technology
ESAT-MICAS Gigabit Photodiodes in Standard Digital nanometer CMOS Technologies
Whitehouse et al. Woodhead Publishing Series in Electronic and Optical Materials
Piels et al. Department of Electrical and Computer Engineering, University of California Santa Barbara, Santa Barbara, CA, USA
Hermans et al. Standard CMOS Photodiodes
Fauzan et al. Optimizing Silicon Avalanche Photodiode Fabricated by Standard CMOS Process for Sub-10 GHz Operation

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant