DE102021109152A1

DE102021109152A1 - Temperaturunempfindlicher optischer empfänger

Info

Publication number: DE102021109152A1
Application number: DE102021109152.7A
Authority: DE
Inventors: Zhihong Huang; Di Liang; Yuan Yuan
Original assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Current assignee: Hewlett Packard Enterprise Development LP
Priority date: 2020-06-15
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-12-16
Also published as: US20230057021A1; CN113871498B; US11637214B2; US11342472B2; CN113871498A; US20210391488A1

Abstract

Ein Bauelement kann enthalten: einen hochdotierten n⁺ Si-Bereich; einen intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich, der auf mindestens einem Teil des n+ Si-Bereichs angeordnet ist, wobei der intrinsische Silizium-Multiplikationsbereich eine Dicke von etwa 90-110 nm aufweist; einen hochdotierten p- Si-Ladungsbereich, der auf mindestens einem Teil des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs angeordnet ist, wobei der p^- Si-Ladungsbereich eine Dicke von etwa 40-60 nm aufweist; und einen p⁺ Ge-Absorptionsbereich, der auf mindestens einem Teil des p^- Si-Ladungsbereichs angeordnet ist; wobei der p⁺ Ge-Absorptionsbereich über seine gesamte Dicke dotiert ist. Die Dicke des n+ Si-Bereichs kann etwa 100 nm betragen und die Dicke des p^- Si-Ladungsbereichs kann etwa 50 nm betragen. Der p⁺ Ge-Absorptionsbereich kann das elektrische Feld auf den Multiplikationsbereich und den Ladungsbereich beschränken, um eine Temperaturstabilität von 4,2 mV/°C.

Description

Erklärung der Regierungsrechte
Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter der Vertragsnummer H98230-19-3-0002 gemacht. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
Beschreibung der verwandten Kunst
Die Datenübertragung ist aufgrund des massiven Wachstums von datenbasierten Anwendungen wie Internet of Things (loT), maschinelles Lernen und Cloud Computing explosionsartig gewachsen und wird es auch weiterhin tun. Das massive Wachstum der Datenkommunikation erfordert, dass Rechenzentren und Hochleistungsrechner (HPCs) letztendlich optische Verbindungen mit hoher Bandbreitendichte einsetzen. Integrierte Silizium-Photonik mit On-Chip-Lasern und SiGe-Avalanche-Photodioden (APDs) ist eine wettbewerbsfähige Lösung aufgrund ihrer großflächigen Integrierbarkeit, der geringen Kosten und des niedrigen Energieverbrauchs.
Derzeit verbrauchen Rechenzentren und HPCs 4:16×10¹¹ W an Energie, und diese Zahl wächst exponentiell. Ein großer Prozentsatz der insgesamt verbrauchten Energie entfällt auf die Kühlung in Rechenzentren. Eine Erhöhung der Betriebstoleranz eines Rechenzentrums um ein Grad kann etwa 4 % der für die Kühlung des Raums verbrauchten Energie einsparen.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird gemäß einer oder mehrerer verschiedener Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die folgenden Figuren detailliert beschrieben. Die Figuren dienen nur der Veranschaulichung und stellen lediglich typische oder beispielhafte Ausführungsformen dar.

1 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes optisches Kommunikationssystem zeigt, mit dem Ausführungsformen implementiert werden können.
2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Systems zur Erkennung optischer Energie gemäß verschiedener Ausführungsformen.
3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Beispiel eines Systems zur Erfassung optischer Energie.
4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts des Beispiel-APDs aus 3 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen.
5 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts des APD von 3, orthogonal zur Ansicht in 4 gesehen, gemäß verschiedenen Ausführungsformen.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispielverfahren zur Erstellung einer Photodiode zur Erfassung optischer Energie zeigt.
7 zeigt einen Vergleich einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung mit herkömmlichen Geräten.

Die Figuren erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und beschränken die vorliegende Offenbarung nicht auf die genaue dargestellte Form.
Detaillierte Beschreibung
Eine Photodiode kann optische Signale in elektrische Signale umwandeln, indem sie optische Energie (z. B. Photonen) absorbiert und Elektronen als Reaktion auf die Absorption der optischen Energie in ein Leitungsband verschiebt. Die Elektronen im Leitungsband sind freie Elektronen, die sich als Reaktion auf ein elektrisches Feld durch die Fotodiode bewegen können. Die Photodiode, die als Avalanche-Photodiode (APD) ausgeführt sein kann, kann intern das elektrische Signal verstärken, indem sie die Elektronen beschleunigt, bis sie durch Stoßionisation zusätzliche Elektronen freisetzen. Das verstärkte elektrische Signal kann von der APD ausgegeben werden.
Eine APD ist eine Art Halbleiter-Photodiode, bei der Lichtenergie aufgrund des photoelektrischen Effekts in Verbindung mit einer elektrischen Stromvervielfachung infolge des Lawinenmechanismus in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei APDs lösen eintreffende Photonen durch das Anlegen einer hohen Sperrvorspannung über dem Bauelement eine Ladungslawine aus.
Verschiedene Ausführungsformen können einen vollständig dotierten p⁺ Ge-Absorptionsbereich mit einer Breite von etwa 400 Nanometern (nm), eine Breite des Ladungsbereichs von etwa 50 nm und eine Breite des Multiplikationsbereichs von etwa 100 nm aufweisen. Eine solche Ausführungsform kann erreichen: eine hohe Multiplikationsverstärkung von > 15, von 23 °C bis 90 °C; Temperaturstabilität von ΔV_bd/ΔT = 4,2 mV/°Cdie nach Ansicht der Erfinder bei APDs für Telekommunikationswellenlängen noch nicht erreicht wurde; eine hohe Bandbreite von etwa 24,6 GHz bei 90 °C, die sich nur um etwa 0,09 % /°C verringert; ein hohes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von > 240 GHz bei 90 °C, das sich um etwa 0,24 % /°C verringert; und eine interne Quanteneffizienz von etwa 100 %, wenn die Temperaturen über 70 °C liegen.
Bevor Beispielausführungen im Detail beschrieben werden, ist es sinnvoll, eine Beispielanwendung zu besprechen, mit der diese und andere Ausführungsformen implementiert werden können. 1 ist ein Diagramm, das ein beispielhaftes optisches Kommunikationssystem zeigt, mit dem Ausführungsbeispiele implementiert werden können. Bezug nehmend auf 1 enthält das Beispielsystem einen optischen Sender 110, einen optischen Empfänger 120 und eine faseroptische Kommunikationsverbindung 130. Dieser beispielhafte optische Sender 110 enthält einen Sendelaser 112 zur Übertragung von Daten unter Verwendung eines optischen Signals. In einigen Ausführungsformen kann eine Laserdirektmodulation verwendet werden, bei der ein IC-Treiber vorgesehen sein kann, um ein moduliertes elektrisches Signal an den Laser anzulegen, um das elektrische Signal in ein optisches Signal umzuwandeln. In anderen Ausführungsformen kann ein Dauerstrichlaser (CW) verwendet werden und ein optischer Modulator am Ausgang des Lasers vorgesehen werden, um das optische Signal mit den Daten zu modulieren.
Der Ausgang des optischen Senders 110 ist über einen Optokoppler (nicht dargestellt) an die optische Faser 132 der faseroptischen Kommunikationsverbindung 130 gekoppelt. Auf der Empfangsseite enthält der optische Empfänger 120 einen optischen Koppler (nicht dargestellt), um Licht von der optischen Faser 132 in einen Wellenleiter des optischen Empfängers 120 einzukoppeln. Obwohl das beschriebene Beispiel einen Wellenleiter-Empfänger verwendet, kann der Empfänger auch mit diskreten Komponenten implementiert werden. Ein Photodetektor 128 (z. B. eine oder mehrere Photodioden) kann enthalten sein, um das optische Signal zu erfassen und es in ein elektrisches Signal zur Verarbeitung oder Speicherung umzuwandeln. Der von den Fotodioden ausgegebene Strom kann den entsprechenden Verstärkern 134 zugeführt werden, die z. B. als Transimpedanzverstärker ausgeführt sein können. Obwohl nicht dargestellt, kann der optische Empfänger 120 auch für jeden Kanal einen Verstärker mit variabler Verstärkung, Entzerrungsschaltungen (zeitkontinuierliche lineare Entzerrung und/oder entscheidungsrückgekoppelte Entzerrung), einen Slicer (Komparator) usw. enthalten. Ein komplexerer Empfänger kann auch einen Analog-Digital-Wandler und einen Prozessor, z. B. einen digitalen Signalprozessor, enthalten.
Das beispielhafte optische Kommunikationssystem kann als WDM-System (Wavelength Division Multiplex) implementiert werden, das in der Lage ist, mehrere Informationskanäle über einen einzigen Signalweg (z. B. eine einzelne Faser 130) zu multiplexen und zu übertragen. Dementsprechend kann das Kommunikationssystem mehrere Laser 112 und mehrere Photodetektoren 128 enthalten. Jeder Laser 112 im WDM-System kann so konfiguriert sein, dass er ein Lichtsignal mit einer bestimmten Wellenlänge erzeugt, die jeweils als ein Kanal im WDM-System bezeichnet werden kann. Die Laser 112 können verschiedene Arten von Lasern umfassen, wie z. B. Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers (VCSELs), Distributed Bragg Reflex Lasers (DBRs), Distributed Feedback Lasers (DFBs) und andere Halbleiterlaser. In einigen Ausführungsformen kann ein Kammlaser verwendet werden, um einen Frequenzkamm bereitzustellen, bei dem jede Wellenlänge moduliert werden kann, z. B. unter Verwendung eines optischen Modulators für jede Frequenzlinie. Das WDM-System kann auch einen Multiplexer 118 enthalten, um die mehreren Lichtsignale von den Lasern in ein optisches WDM-Signal zu multiplexen. In WDM-Ausführungen kann die Modulation individuell für jeden Kanal (d. h. für jede Lichtquelle) erfolgen, so dass jeder Kanal unterschiedliche Informationen tragen kann. Die gemultiplexten Kanäle können dann auf die optische Faser 132 geleitet werden. Am optischen Empfänger 120 kann das WDM-Signal mit einem Demultiplexer 124 demultiplexiert werden, um das WDM-Signal in seine einzelnen Kanäle zu trennen. Jeder Kanal kann über einen Wellenleiter zu seinem entsprechenden oder jeweiligen Photodetektor von mehreren Photodetektoren 128 geleitet werden.
In verschiedenen Implementierungen, wie z. B. einer Silizium-Photonik-Anwendung, können sich die optischen Signale durch planare Wellenleiterstrukturen ausbreiten, die auf einem Substrat hergestellt werden. Ein Beispiel für einen planaren Wellenleiter, der verwendet werden kann, ist ein Slab-Wellenleiter. Die optischen Signale breiten sich in einer planaren Platte aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex aus, die von einer Ummantelung mit niedrigerem Brechungsindex umgeben ist. An der Grenze zwischen dem Kernbereich und dem Mantelbereich existiert eine Kern/Mantel-Grenzfläche, so dass Licht, das im Kernbereich unter einem Winkel, der größer als der kritische Winkel ist, auf diese Kern/Mantel-Grenzfläche trifft, in den Kernbereich zurückreflektiert wird. Dies dient dazu, das Licht durch Totalreflexion innerhalb des Slab-Wellenleiters zu begrenzen, aber ein Teil der optischen Energie kann im Mantelbereich außerhalb des Kerns vorhanden sein. Dies wird oft als evaneszente Energie oder evaneszentes Feld bezeichnet. Der Slab-Wellenleiter kann so konfiguriert werden, dass er eine Vielzahl unabhängiger optischer Signale überträgt, indem er Rippen, Stege, Streifen oder ähnliche Strukturen aufweist, die sich entlang einer Seite des Slabs erstrecken. Die optische Energie, die sich in der Platte ausbreitet, kann in verschiedenen Bereichen innerhalb der Platte lokalisiert werden, die durch diese Strukturen definiert sind.
Wellenleiter können in einer Vielzahl von Geometrien und Konfigurationen hergestellt werden. Ein KanalWellenleiter, wie z. B. ein vergrabener Kanal oder ein eingebetteter StreifenWellenleiter, kann im Allgemeinen einen Kern aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex enthalten, der von einer Ummantelung mit einem niedrigeren Brechungsindex umgeben ist. Das Substrat kann zumindest einen Teil des umgebenden Mantelbereichs bilden.
Es kann auch ein Steg- oder RippenWellenleiter verwendet werden, der durch Aufbringen von Material auf oder Entfernen von Material von (oder beidem) ausgewählten Bereichen der Platte gebildet wird, was zu Dickenänderungen im PlattenWellenleiter führt. Ein streifenbeladener Wellenleiter kann durch Aufbringen eines Materialstreifens auf die Platte gebildet werden. Der Streifen kann einen Brechungsindex haben, der größer ist als der der Mantelschichten, er kann aber auch annähernd gleich dem des Slabs sein. Der Streifen kann enthalten sein, um eine Erhöhung des effektiven Index der Platte im Bereich nahe des Streifens zu bewirken. Obwohl, wie oben erwähnt, verschiedene Beispiele für integrierte Wellenleiter vorgesehen sind, kann der Empfänger in einigen Implementierungen mit diskreten Komponenten realisiert werden.
Die Koppler können als Gitterkoppler implementiert werden, die einen aufgeweiteten Wellenleiterabschnitt mit einem relativ schmalen Endabschnitt haben, um in den Wellenleiter einzugreifen, der sich zu einem breiteren Endabschnitt erweitert, um in die Faser einzukoppeln. Der aufgeweitete Abschnitt enthält längliche Streuelemente, die so angeordnet sind, dass sie Licht zwischen dem Koppler und einer optischen Faser oder einem anderen optischen Element einkoppeln.
Das in 1 dargestellte und oben beschriebene Kommunikationssystem ist nur ein Beispiel für ein Kommunikationssystem, mit dem Ausführungsformen implementiert werden können. Ausführungsformen können mit einer beliebigen Anzahl von anderen optischen Kommunikationssystemen implementiert werden.
2 ist ein Blockdiagramm eines Beispiels eines Systems 200 zum Erfassen von optischer Energie in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen. Das System 200 kann eine Fotodiode 210 enthalten, um ein optisches Signal in ein elektrisches Signal umzuwandeln und das elektrische Signal zu verstärken. Das System 200 kann auch einen Wellenleiter 220 umfassen, der elektromagnetisch mit der Fotodiode 210 gekoppelt ist. Der Wellenleiter 220 kann ein optisches Signal empfangen, beispielsweise von einem Gitterkoppler (nicht dargestellt) oder Demultiplexer (z. B. Demultiplexer 124), und das empfangene optische Signal zur Photodiode 210 leiten, so dass die Photodiode 210 das optische Signal in ein elektrisches Signal umwandeln kann. Die Fotodiode 210 kann einen dotierten Germaniumbereich 212 enthalten. Zum Beispiel kann der dotierte Germaniumbereich 212 ein zumindest mäßig dotierter Germaniumbereich sein (z.B. ein mäßig oder hoch dotierter Germaniumbereich). In einer Ausführungsform kann der dotierte Germaniumbereich 212 ein p-Typ-Bereich sein, der mit einer Konzentration von etwa 2 × 10¹⁸ Atomen/cm³ dotiert ist.
Die Fotodiode 210 kann einen mäßig dotierten Siliziumbereich 214 in direktem Kontakt mit dem dotierten Germaniumbereich 212 enthalten. Die Fotodiode 210 kann einen intrinsischen Siliziumbereich 216 in direktem Kontakt mit dem mäßig dotierten Siliziumbereich 214 enthalten. Wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „intrinsisch“ auf einen Halbleiter mit einer Konzentration von dotierten Atomen von höchstens etwa 5 × 10¹⁶ Atomen/cm³. Die Fotodiode 210 kann einen hochdotierten Siliziumbereich 218 in direktem Kontakt mit dem intrinsischen Siliziumbereich 216 enthalten.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Bereich“ auf einen Teil der Fotodiode 210 oder einer anderen Vorrichtung, der von einem bestimmten Material belegt ist. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „mäßig dotiert“ auf einen Halbleiter mit einer Konzentration von dotierten Atomen zwischen etwa 5 × 10¹⁶ Atomen/cm³ und etwa 5 × 10¹⁸ Atomen/cm³. Der Begriff „hochdotiert“ bezieht sich auf einen Halbleiter mit einer Konzentration von dotierten Atomen von mindestens etwa 2 × 10¹⁸ Atomen/cm³. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „etwa“ ein bestimmter Wert auf Zahlen, die gleich dem bestimmten Wert sind, wenn sie auf die niedrigstwertige Stelle des bestimmten Wertes gerundet werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „intrinsisch“ auf einen Halbleiter mit einer Konzentration von dotierten Atomen von höchstens etwa 5 × 10¹⁶ Atomen/cm³. Der Begriff „ungefähr“ kann sich auch auf Zahlen beziehen, die angesichts des speziellen Herstellungsprozesses, der zur Herstellung des Bauelements verwendet wird, erreichbar sind, wobei zu berücksichtigen ist, dass Halbleiter-Herstellungstechniken typischerweise keine Null-Toleranz-Ergebnisse liefern.
3 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines anderen Beispiels eines Systems zur Erfassung optischer Energie. Das System kann eine Photodiode 300 (z. B. eine Avalanche-Photodiode 300) enthalten, die mit einem Wellenleiter gekoppelt sein kann. Die APD 300 kann eine Si/Ge-Avalanche-Photodiode sein. Es versteht sich, dass die verschiedenen Schichten und Komponenten der APD 300, wie dargestellt, nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, sondern dass sie so dargestellt sind, dass jede der Komponenten deutlich zu erkennen ist.
Die APD 300 im dargestellten Beispiel umfasst ein Substrat 310 (3). Ein n-dotierter Siliziumbereich 322 (n⁺ Si) kann auf mindestens einem Teil des Substrats 310 angeordnet sein. Ein Multiplikationsbereich 324 kann auf mindestens einem Teil des n⁺ Si-Bereichs 322 angeordnet sein. In diesem Beispiel ist der Multiplikationsbereich 324 als ein intrinsischer Silizium (i^-Si)-Multiplikationsbereich 324 vorgesehen, der auf mindestens einem Teil des n⁺ Si-Bereichs 322 angeordnet ist. Der intrinsische Silizium (i^-Si)-Multiplikationsbereich 324 kann ungewollt dotiert sein und eine Dotierungskonzentration aufweisen, die auf den Dotierungsverunreinigungen basiert, die als Ergebnis seines epitaktischen Wachstums vorhanden sind. Wie unten erwähnt, kann in einigen Ausführungsformen die Dotierungskonzentration des Multiplikationsbereichs 324 etwa 1×10¹⁶ cm^-3 oder weniger betragen.
Ein Ladungsbereich 326 kann zumindest auf einem Teil des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 angeordnet sein. In diesem Beispiel ist der Ladungsbereich 326 ein p-dotierter Siliziumbereich (p^-Si). Wie unten erwähnt, kann in einigen Ausführungsformen die Dotierungskonzentration des p^-Si-Ladungsbereichs 326 etwa 2×10¹⁸ cm^-3 betragen. Der Bereich der Dotierungskonzentrationen für den p^- Si-Ladungsbereich 326 hängt von der Dotierung des Absorptionsbereichs 328 und des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 ab und wird in einigen Ausführungsformen so gewählt, dass das elektrische Feld in dem dünneren p^- Si-Ladungsbereich 326 und dem intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich 324 konzentriert wird, mit einem niedrigeren Feld in dem p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328.
Der n⁺ Si-Bereich 322, der intrinsische Silizium-Multiplikationsbereich 324 und der p^- Si-Ladungsbereich 326 können einen Ladungsträger-Multiplikationsbereich bilden. Der Multiplikationsbereich 324 kann einen vollständig verarmten Verarmungsbereich des Bauelements bilden. Der Absorptionsbereich 328 kann teilweise verarmt sein, und photoerzeugte Ladungsträger können durch Diffusion vom Absorptionsbereich 328 zum Multiplikationsbereich 324 wandern.
In einigen Ausführungsformen beträgt die Dicke des p⁺ Ge-Absorptionsbereichs 328 etwa 400 nm, die Dicke des p^- Si-Ladungsbereichs 326 beträgt 50 nm und die Dicke des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 beträgt etwa 100 nm. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Absorptionsbereich 328 eine Dicke von etwa 100 nm bis etwa 1 um aufweisen. Die Dicke des Absorptionsbereichs 328 beeinflusst jedoch auch die Temperaturempfindlichkeit, und ein dünnerer Absorptionsbereich kann die Stabilität verbessern. Wenn der Absorptionsbereich jedoch zu dünn ist, wird die Ansprechempfindlichkeit in Bezug auf die elektrische Leistung pro optischem Eingang gering sein.
Obwohl der p^-Si-Ladungsbereich 326 und der intrinsische Silizium-Multiplikationsbereich 324 andere Dicken haben können, beträgt in einigen Ausführungsformen die kombinierte Dicke dieser beiden Schichten etwa 200 nm oder weniger.
Im dargestellten Beispiel beträgt die Dotierungskonzentration des p^-Si-Ladungsbereichs 326 etwa 2×10¹⁸ cm^-3, obwohl der p-Si-Bereich 326 andere Dotierungskonzentrationen aufweisen kann. Die Dotierungskonzentration des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 beträgt im dargestellten Beispiel weniger als etwa 1×10¹⁶ cm^-3. In einigen Ausführungsformen ist die Dotierungskonzentration des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 geringer als 5×10¹⁵ cm^-3.
Ein Absorptionsbereich 328 kann auf mindestens einem Teil des Ladungsbereichs 326 angeordnet sein. In diesem Beispiel ist der Absorptionsbereich 328 ein p⁺ Ge-Bereich und kann epitaktisch gewachsen sein. In einigen Ausführungsformen ist der p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 vollständig implantiert, um eine vollständige Dotierung über seine gesamte Dicke zu erreichen. Die vollständige Dotierung über die gesamte Dicke des p⁺ Ge-Absorptionsbereichs 328 kann die Vorrichtung so einschränken, dass das elektrische Feld hauptsächlich auf den p^-Si-Ladungsbereich 326 und den Multiplikationsbereich 324 beschränkt ist. Die Beschränkung des elektrischen Feldes auf die beiden Si-Schichten (d. h. den p^-Si-Ladungsbereich 326 und den intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich 324) und die extreme Dünnheit dieser Schichten (z. B. etwa 150 nm oder weniger in einigen Ausführungsformen) hat den Effekt, dass die Vorrichtung extrem temperaturunempfindlich wird, da die Temperaturabhängigkeit proportional zur Dicke des Bereichs ist. In 2 sind die Dicken der Bereiche 322, 324, 326, 328 entlang der vertikalen Dimension zwischen dem oberen und unteren Rand der Seite gemessen.
Die Dotierungskonzentration des p⁺ Ge-Absorptionsbereichs 328 beträgt im dargestellten Beispiel etwa 1×10¹⁸ cm^-3, obwohl der p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 in anderen Ausführungsformen andere Dotierungskonzentrationen aufweisen kann. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Dotierung für den p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 nicht so kritisch wie die Dotierungspegel , und die Dotierung für den p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 ist ausreichend dotiert, um einen guten Kontakt mit dem ersten Metallkontakt 335 zu gewährleisten. Zum Beispiel kann die Dotierungskonzentration des p⁺ Ge-Absorptionsbereichs 328 bis zu etwa 1×10²⁰ cm^-3 hoch sein. Wenn jedoch die Dotierungskonzentration des p⁺ Ge-Absorptionsbereichs 328 zu hoch ist, befindet sich das Ge nicht im Verarmungszustand und hat nicht genügend photogenerierte Ladungsträger. Wenn die Dotierung zu niedrig ist (z. B. unter etwa 1×10¹⁹ cm^-3), bildet der p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 keinen guten ohmschen Kontakt mit dem ersten Metallkontakt 335.
Obwohl nicht dargestellt, kann ein Passivierungsbereich auf mindestens einem Teil jedes p⁺ Ge-Absorptionsbereichs 328, des p^- Si-Ladungsbereichs 326 und des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 für Oberflächen, die der Umgebung ausgesetzt sind, angeordnet werden. Ein oder mehrere erste Metallkontakte 335 können auf dem p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 und ein oder mehrere zweite Metallkontakte 336 können auf dem n⁺ Si-Multiplikationsbereich 324 angeordnet sein.
Das empfangene optische Signal, das der APD 300 über einen Wellenleiter zugeführt werden kann, kann evaneszent in den p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 eingekoppelt werden und die Absorption der optischen Energie durch diesen p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 verursachen. Die absorbierte optische Energie kann Elektronen zu einem Leitungsband anregen (d.h. freie Elektronen erzeugen). In einem Beispiel kann der p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 eine p-Typ-Dotierungskonzentration von mindestens etwa 5 × 10¹⁸ Atomen/cm ³aufweisen (z. B. eine pTyp-Dotierungskonzentration zwischen etwa 1 × 10¹⁸ Atomen/cm ³ und etwa 1 × 10²⁰ Atomen/cm³.
Der p^- Si-Ladungsbereich 326 kann die freien Elektronen beschleunigen. Das elektrische Feld kann mit einer relativ steilen Flanke zwischen der Grenzfläche des Bereichs mit dem p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 und der Grenzfläche mit dem intrinsischen Siliziumvervielfältigungsbereich 324 zunehmen. Die Driftgeschwindigkeit der freien Elektronen kann bis zum Erreichen einer Sättigungsgeschwindigkeit des p^- Si-Ladungsbereichs 326 zunehmen.
Der intrinsische Siliziumvervielfältigungsbereich 324 kann die Anzahl der freien Elektronen verstärken. Zum Beispiel kann der intrinsische Siliziumvervielfältigungsbereich 324 zusätzliche freie Elektronen durch Stoßionisation der beschleunigten freien Elektronen erzeugen. Die zusätzlichen freien Elektronen können noch mehr Elektronen durch Stoßionisation der zusätzlichen freien Elektronen erzeugen. So kann der intrinsische Siliziumbereich 216 die Anzahl der freien Elektronen vervielfachen. Der intrinsische Silizium-Multiplikationsbereich 324 kann einige der freien Elektronen oder die zusätzlichen freien Elektronen beschleunigen, um die Stoßionisation zu verursachen. Darüber hinaus kann eine gewisse Stoßionisation im p^-Si-Ladungsbereich 326 auftreten.
Der höher dotierte n⁺ Si-Bereich 322 (d. h. ein Kontaktierungsbereich) kann die durch Absorption erzeugten freien Elektronen und die durch Stoßionisation erzeugten freien Elektronen leiten. Beispielsweise kann der n⁺ Si-Bereich 322 die Elektronen zu anderen Geräten oder Schaltungen, zu einem Metallkontakt, zu einem Ausgangsanschluss oder ähnlichem leiten. In einem Beispiel kann der n⁺ Si-Bereich 322 eine Dotierungskonzentration von mindestens etwa 1 × 10²⁰ Atome/cm³ aufweisen. Der hochdotierte n⁺ Si-Bereich 322 kann eine Dicke zwischen etwa 200 nm und etwa 2 µm haben. In einer Ausführungsform kann der n⁺ Si-Bereich 322 eine Dicke von etwa 220 nm haben.
4 ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Beispiel-APD 300 aus 3 in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen. In diesem Beispiel umfasst die APD 400 die gleiche Struktur wie die APD 300, die auf einem Substrat 310 hergestellt ist, und zeigt auch die Einbeziehung der SiO₂-Passivierungsschicht 423 und der Metallkontakte 335, 336, die sich durch die Passivierungsschicht 423 erstrecken. Obwohl nicht dargestellt, kann ein Wellenleiter (z. B. Wellenleiter 220) mit der Vorrichtung gekoppelt sein. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform ein Wellenleiter mit dem dotierten Bereich 322 endgekoppelt sein. Wie bei der APD 300 sind die verschiedenen Schichten und Komponenten der APD 400 nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, sondern werden so dargestellt, dass jede der Komponenten deutlich zu erkennen ist. Auch in diesem Beispiel können stark dotierte Bereiche 442 enthalten sein, in denen Metallkontakte 336 abgeschieden werden, um einen ohmschen Kontakt bereitzustellen. Die Bereiche 442 können einen ungehinderten Transfer von Majoritätsträgern vom n⁺ Si-Bereich 322 zu den Metallkontakten 336 ermöglichen. In einer Ausführungsform ist das Halbleitermaterial in den Bereichen 442 so stark dotiert, dass Elektronentunneln möglich ist.
5 ist ein schematisches Diagramm eines Querschnitts der Beispiel-APD 400 aus 3, gesehen orthogonal zu der in 4 gezeigten Ansicht, in Übereinstimmung mit verschiedenen Ausführungsformen. In diesem Beispiel weist die APD 400 die gleiche Struktur wie die APD 300 auf, zeigt aber zusätzlich einen Wellenleiter 515 (z. B. Wellenleiter 220), der mit dem dotierten Bereich 322 endgekoppelt ist. Der Wellenleiter 515 kann ein optisches Signal empfangen, z. B. von einem Gitterkoppler (nicht dargestellt) oder von einem Demultiplexer (z. B. Demultiplexer 124), und das optische Signal von seiner Quelle zur APD 400 leiten. Der Wellenleiter 515 kann in verschiedenen Ausführungsformen intrinsisches Silizium enthalten. In diesem Beispiel steht der Wellenleiter 515 in direktem Kontakt mit einer Oberfläche des dotierten Bereichs 322 und kann in einigen Ausführungsformen auch in Kontakt mit dem Multiplikationsbereich 324 sein. Das optische Signal aus dem Wellenleiter 515 koppelt evaneszent in den Absorptionsbereich 328 ein, wo die optische Energie durch den Absorptionsbereich 328 absorbiert wird. Wie bei der APD 300 werden die verschiedenen Schichten und Komponenten der APD 400 nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet, sondern sind so dargestellt, dass jede der Komponenten deutlich zu erkennen ist.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispielverfahren zur Herstellung einer Fotodiode zur Erfassung optischer Energie zeigt. Bezug nehmend auf 6 kann der Vorgang 602 die Bildung einer n-Typ-Siliziumschicht auf einem Substrat umfassen. Die n-Typ-Siliziumschicht kann durch Abscheiden von Silizium und Implantieren eines n-Typ-Dotierstoffs (z. B. Phosphor, Arsen, Antimon oder dergleichen) in das Silizium, durch Bereitstellen eines Wafers mit einer Siliziumschicht und Implantieren eines n-Typ-Dotierstoffs in die Siliziumschicht oder dergleichen gebildet werden. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „Schicht“ auf einen Bereich, der einen anderen Bereich bedeckt oder von diesem bedeckt wird. Die n-Typ-Siliziumschicht kann z. B. der hochdotierte n⁺ Si-Bereich 322 der Vorrichtung der 3 und 4 sein.
Vorgang 604 kann die Bildung einer intrinsischen Siliziumschicht auf der n-Typ-Siliziumschicht umfassen. In Bezug auf die in den 3 und 4 dargestellten Beispielvorrichtungen kann die intrinsische Siliziumschicht beispielsweise durch Abscheidung des intrinsischen Siliziums auf dem hochdotierten n⁺ Si-Bereich 322 oder durch Gegendotierung von p^-dotiertem Silizium zur Bildung von intrinsischem Silizium gebildet werden. Die intrinsische Siliziumschicht kann eine geringe Menge an Dotierung enthalten (z. B. eine geringe Menge an p-Typ-Dotierung oder n-Typ-Dotierung). In einem Beispiel kann die intrinsische Siliziumschicht der intrinsische Silizium-Multiplikationsbereich 324 der in den 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen sein.
Vorgang 606 kann die Bildung einer p-Typ-Siliziumschicht auf der intrinsischen Siliziumschicht umfassen. Die p-Typ-Siliziumschicht kann durch Abscheiden von Silizium und Implantieren eines p-Typ-Dotierstoffs (z. B. Bor, Aluminium, Gallium usw.) in das Silizium gebildet werden. In einem Beispiel können die intrinsische Siliziumschicht und die p-Typ-Siliziumschicht durch eine einzige Abscheidung von Silizium gebildet werden, gefolgt von der Implantation des p-Typ-Dotierstoffs in einem oberen Teil des abgeschiedenen Siliziums. In einem Beispiel kann die p-Typ-Siliziumschicht der p^-Si-Ladungsbereich 326 der in den 3 und 4 dargestellten Vorrichtungen sein.
Wie in den Beispielen der 3 und 4 erwähnt, beträgt die kombinierte Dicke des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 und des p^- Si-Ladungsbereichs 326 etwa 160 nm oder weniger. In anderen Ausführungsformen beträgt die kombinierte Dicke des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs 324 und des p^-Si-Ladungsbereichs 326 etwa 175 nm oder weniger, liegt im Bereich von etwa 125 nm bis etwa 160 nm, liegt im Bereich von etwa 125 nm bis etwa 160 nm oder einer anderen Dicke, die geeignet ist, den gewünschten Grad der Temperaturunempfindlichkeit für die gegebene Anwendung zu erreichen.
In Operation 608 kann das Verfahren 600 die Bildung einer p-Typ-Germaniumschicht in direktem Kontakt mit der p-Typ-Siliziumschicht umfassen. In einigen Beispielen kann die p-Typ-Germaniumschicht mäßig oder hoch dotiert sein. Die p-Typ-Germaniumschicht kann durch Abscheiden von Germanium und Implantieren eines p-Typ-Dotierstoffs in das Germanium gebildet werden. Beispielsweise kann die p-Typ-GermaniumSchicht der p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 der Beispiele der 3 und 4 sein.
Beispiel Gerät.
Wie bereits erwähnt, ist die Durchbruchsspannung bei einem vollständig dotierten p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328, einer Breite des Ladungsbereichs von etwa 50 nm und einem Multiplikationsbereich von etwa 100 nm im Vergleich zu früheren Ill-V-APD-Ergebnissen und früheren SiGe-APD-Ergebnissen extrem stabil. 6 zeigt einen Vergleich einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu herkömmlichen Bauelementen. Die Tabelle und das zugehörige Diagramm in 7 zeigen InAlAs-InGaAs-Bauelemente und InP-InGaAs-Bauelemente mit Durchbruchspannungsstabilitäten, gemessen in ΔVbd/ΔT, im Bereich von 15-40 mV/°C im Fall von InAlAs-InGaAs-Bauelementen und 46 - 100 mV/°C im Fall von InP-InGaAs-Bauelementen. Dies wird mit den Ergebnissen einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung verglichen, die in der Modellierungsanalyse 4,2 mV/°C erreichte.
Weitere Merkmale, die durch eine solche Beispielausführung mit einem vollständig dotierten p⁺ Ge-Absorptionsbereich 328 mit einer Breite von etwa 400 nm, einem Ladungsbereich mit einer Breite von etwa 50 nm und einem Multiplikationsbereich mit einer Breite von etwa 100 nm erreicht werden, umfassen eine hohe Multiplikationsverstärkung von > 15, von 23 °C bis 90 °C; eine Temperaturstabilität von ΔV_bd/ΔT = 4,2 mV/°Cdie in APDs für Telekommunikationswellenlängen nicht erreicht werden kann; eine hohe Bandbreite von etwa 24,6 GHz bei 90 °C, die sich nur um etwa 0,09 % /°C verringert; ein hohes Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von > 240 GHz bei 90 °C, das sich um etwa 0,24 % /°C verringert; und eine interne Quanteneffizienz von etwa 100 %, wenn die Temperaturen größer als 70 °C sind.
Wie hierin verwendet, kann der Begriff „oder“ sowohl in einem einschließenden als auch in einem ausschließenden Sinn verstanden werden. Darüber hinaus ist die Beschreibung von Ressourcen, Vorgängen oder Strukturen im Singular nicht so zu verstehen, dass der Plural ausgeschlossen wird. Bedingte Ausdrücke wie z. B. „kann“, „könnte“, „könnte“ oder „darf“, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder im Kontext anders verstanden, sollen im Allgemeinen vermitteln, dass bestimmte Ausführungsformen bestimmte Merkmale, Elemente und/oder Schritte enthalten, während andere Ausführungsformen diese nicht enthalten.
Begriffe und Ausdrücke, die in diesem Dokument verwendet werden, und Variationen davon, sollten, sofern nicht ausdrücklich anders angegeben, als offen und nicht als einschränkend verstanden werden. Adjektive wie „konventionell“, „traditionell“, „normal“, „Standard“, „bekannt“ und Begriffe mit ähnlicher Bedeutung sind nicht so zu verstehen, dass sie den beschriebenen Gegenstand auf einen bestimmten Zeitraum oder auf einen Gegenstand beschränken, der zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar ist, sondern sollten so verstanden werden, dass sie konventionelle, traditionelle, normale oder Standardtechnologien umfassen, die jetzt oder zu einem beliebigen Zeitpunkt in der Zukunft verfügbar oder bekannt sein können. Das Vorhandensein von erweiternden Wörtern und Ausdrücken wie „eine oder mehrere“, „mindestens“, „aber nicht beschränkt auf“ oder anderen ähnlichen Ausdrücken in einigen Fällen ist nicht so zu verstehen, dass der engere Fall beabsichtigt oder erforderlich ist in Fällen, in denen solche erweiternden Ausdrücke fehlen können.

Claims

Eine Photodiode, umfassend: einen hochdotierten n⁺ Si-Bereich; einen intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich, der auf mindestens einem Teil des n⁺-Si-Bereichs angeordnet ist, wobei die intrinsische Silizium-Multiplikation eine Dicke von etwa 90-110 nm aufweist; einen hochdotierten p^-Si-Ladungsbereich, der auf mindestens einem Teil des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs angeordnet ist, wobei der p-Si-Ladungsbereich eine Dicke von etwa 40-60 nm aufweist; und einen p⁺ Ge-Absorptionsbereich, der auf mindestens einem Teil des p^-Si-Ladungsbereichs angeordnet ist; wobei der p⁺ Ge-Absorptionsbereich über seine gesamte Dicke dotiert ist.
Photodiode nach Anspruch 1, wobei eine Dicke des n⁺ Si-Bereichs etwa 100 nm und eine Dicke des p^- Si-Ladungsbereichs etwa 50 nm beträgt.
Photodiode nach Anspruch 2, wobei der p+ Ge-Absorptionsbereich ein elektrisches Feld der Photodiode auf den intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich und den p^- Si-Ladungsbereich begrenzt, um eine Temperaturstabilität von etwa 4,2 mV/°C.
Photodiode nach Anspruch 1, mit einer Bandbreite von etwa 24,6 GHz bei 90 °C.
Photodiode nach Anspruch 1, mit einem Verstärkungs-Bandbreiten-Produkt von > 240 GHz bei 90 °C.
Photodiode nach Anspruch 1 mit einer internen Quanteneffizienz von etwa 100 % bei Temperaturen größer als 70 °C.
Photodiode nach Anspruch 1, wobei eine Dotierung des n⁺ Si-Bereichs etwa 1 × 1020cm-3 beträgt.
Photodiode nach Anspruch 1, wobei eine Dotierung des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs weniger als etwa 1 × 10¹⁶cm^-3 beträgt.
Photodiode nach Anspruch 1, wobei eine Dotierung des p^- Si-Ladungsbereichs etwa 2 × 10¹⁸cm^-3 beträgt.
Ein Verfahren, das Folgendes umfasst: die einen hochdotierten n⁺ Si-Bereich bilden; Bilden eines intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs auf mindestens einem Teil des n⁺-Si-Bereichs, wobei der intrinsische Silizium-Multiplikationsbereich eine Dicke von etwa 90-110 nm aufweist; Bilden einer hochdotierten p^-Si-Ladungszone auf mindestens einem Teil der intrinsischen Silizium-Multiplikationszone, wobei die p^-Si-Ladungszone eine Dicke von etwa 40-60 nm aufweist; und Bilden eines p⁺ Ge-Absorptionsbereichs auf mindestens einem Teil des p^-Si-Ladungsbereichs; wobei der p⁺ Ge-Absorptionsbereich über seine gesamte Dicke dotiert ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei eine Dicke des n+-Si-Bereichs etwa 100 nm und eine Dicke des p^- Si-Ladungsbereichs etwa 50 nm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der p⁺ Ge-Absorptionsbereich ein elektrisches Feld der Photodiode auf den intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich und den p- Si-Ladungsbereich begrenzt, um eine Temperaturstabilität von etwa 4,2 mV/°C.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine Dotierung des n⁺-Si-Bereichs etwa 1 × 10²⁰cm^-3 beträgt.
Photodiode nach Anspruch 10, wobei eine Dotierung des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs weniger als etwa 1 × 1016cm^-3 beträgt.
Photodiode nach Anspruch 10, wobei eine Dotierung des p^-Si-Ladungsbereichs etwa 2 × 10¹⁸cm^-3 beträgt.
Ein integrierter photonischer Empfänger für ein optisches Kommunikationssystem, wobei der Empfänger umfasst: einen Optokoppler zur Einkopplung des empfangenen Lichts in den Empfänger; einen Demultiplexer, der mit dem Optokoppler gekoppelt ist, um das empfangene Licht in eine Vielzahl von Kanälen zu demultiplexen; eine Vielzahl von Fotodioden, die mit dem Demultiplexer gekoppelt sind, wobei jede Fotodiode der Vielzahl von Fotodioden umfasst: einen hochdotierten n⁺ Si-Bereich; einen intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich, der auf mindestens einem Teil des n⁺-Si-Bereichs angeordnet ist, wobei die intrinsische Silizium-Multiplikation eine Dicke von etwa 90-110 nm aufweist; einen hochdotierten p^-Si-Ladungsbereich, der auf mindestens einem Teil des intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereichs angeordnet ist, wobei der p^-Si-Ladungsbereich eine Dicke von etwa 40-60 nm aufweist; und einen p⁺ Ge-Absorptionsbereich, der auf mindestens einem Teil des p^-Si-Ladungsbereichs angeordnet ist; wobei der p⁺ Ge-Absorptionsbereich über seine gesamte Dicke dotiert ist.
Integrierter Photonik-Empfänger nach Anspruch 16, wobei eine Dicke des n⁺ Si-Bereichs etwa 100 nm und eine Dicke des p^- Si-Ladungsbereichs etwa 50 nm beträgt.
Integrierter Photonik-Empfänger nach Anspruch 17, wobei der p⁺ Ge-Absorptionsbereich ein elektrisches Feld der Photodiode auf den intrinsischen Silizium-Multiplikationsbereich und den p-Si-Ladungsbereich begrenzt, um eine Temperaturstabilität von etwa 4,2 mV/°C.
Integrierter Photonik-Empfänger nach Anspruch 16, ferner umfassend eine Vielzahl von Wellenleitern, die die Vielzahl von Photodioden mit dem Demultiplexer koppeln, wobei jeder Wellenleiter der Vielzahl von Wellenleitern mit mindestens einem Teil einer Oberfläche des hochdotierten n⁺ Si-Bereichs seiner entsprechenden Photodiode endgekoppelt ist.