TWI795562B - 雪崩式之光電晶體 - Google Patents

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Abstract

一種雪崩式之光電晶體之元件及方法。依據一特點，一雪崩式之光電晶體包含一偵測區域被配置為吸收入射在偵測區域之一第一表面上的光線且依據吸收入射光以產生一或多個電荷載子；第一端點與偵測區域電性連接且可對於偵測區域施加一電壓；一過渡摻雜區域；一第二端點與過渡摻雜區域電性連接且可對於過渡摻雜區域施加一電壓；一倍增區域被配置為接收自過渡摻雜區域流出之一或多個電荷載子及對應於接收的一或多個電荷載子產生一或多個額外電荷載子；一第三端點與倍增區域電性連接且可對於倍增區域施加一電壓，其中，過渡摻雜區域位於偵測區域和倍增區域之間。

Description

雪崩式之光電晶體
本發明是關於一種光偵測裝置及其光偵測方法，特別是有關於一 種以錯做為吸光材料的光偵測裝置及其光偵測方法。
光線可在自由空間或是透過一光介質中傳遞。光線可被耦合至一傳感器(transducer)以將一光訊號轉換成一電訊號做後續處理。然而，傳感器可能因為效率不佳或是漏光，造成光能損失。
此說明書揭露有關於感測應用之雪崩式光電晶體技術。此技術使用三端點解決方案，其具有位於一偵測區域(例如一鍺層)及一倍增區域(例如一矽層)之間的一過渡摻雜區域(interim doping region)(例如摻雜濃度大於1018cm-3之重摻雜p+層)。使用分開之端點可將過渡摻雜區域與偵測區域及倍增區域分開偏壓，將在偵測區域產生的載子掃到倍增區域，並在倍增區域放大被產生的載子。
本說明書揭露標的的一創新特點為實施一元件，此元件包含一偵測區域被配置為可吸收入射在該偵測區域之一第一表面上的光線；依據吸收該入射光中以產生一或多個電荷載子；一第一端點與該偵測區域電性連接且可對於該偵測區域施加一電壓；一過渡摻雜區域，具有一第一類型摻雜的摻雜濃度大於一臨界摻雜濃度，其中該一或多個電荷載子 流至該過渡摻雜區域；一第二端點與該過渡摻雜區域電性連接且可對於該過渡摻雜區域施加一電壓；一倍增區域被配置為：接收自該過渡摻雜區域流出之該一或多個電荷載子；對應於接收的該一或多個電荷載子，產生一或多個額外電荷載子；及一第三端點與該倍增區域電性連接且可對於該倍增區域施加一電壓，其中，該過渡摻雜區域位於該偵測區域和該倍增區域之間。
此創新特點的其他實施方式可包含對應的系統、裝置及電腦程式，電腦程式經規劃後可執行方法的操作、在電腦儲存元件編碼方法的操作。
這些及其他的實施方式可隨選地包含下列一或多個特徵。依據一些實施方式，此偵測區域可為一晶體鍺層(crystalline germanium layer)，而倍增區域可為一晶體矽層(crystalline silicon layer)。偵測區域可在非雪崩模式下操作，且倍增區域可在雪崩模式下操作。過渡摻雜區域之第一型摻雜為一p型摻雜，在晶體矽層中的p型摻雜的臨界摻雜濃度至少為1018cm-3。
依據一些實施方式，過渡摻雜區域該偵測區域相鄰且過渡摻雜區域的一第二表面與偵測區域的該第一表面共平面。依據一些實施方式，過渡摻雜區域圍繞偵測區域。
依據一些實施方式，跨過倍增區域的電壓差可小於7伏。跨過偵測區域的電壓差可小於3伏。
本說明書揭露標的的另一創新特點為實施一方法，此方法包含對於一雪崩式光電晶體元件之一第一端點施加一第一電壓，其中該第一端點與該雪崩式光電晶體元件之一偵測區域電性連接；對於該雪崩式光電 晶體元件之一第二端點施加一第二電壓，其中該第二端點與該雪崩式光電晶體元件之一過渡摻雜區域電性連接；對於該雪崩式光電晶體元件之一第三端點施加一第三電壓，其中該第三端點與該雪崩式光電晶體元件之一倍增區域電性連接；在該偵測區域內，從照射到該偵測區域一表面上的入射光產生一或多個電荷載子；經由該過渡摻雜區域以將該一或多個電荷載子由該偵測區域供應到該倍增區域；在該倍增區域內，由該一或多個電荷載子而產生一或多個額外電荷載子；及使用該雪崩式光電晶體元件，並部份利用該一或多個額外電荷載子而提供一偵測量測。
這些及其他的實施方式可隨選地包含下列一或多個特徵。依據一些實施方式，入射光包括一或多個光脈衝，光脈衝在一介質中行進且被一物件反射，偵測量測包含確認一或多個光脈衝在一介質中行進且被一物件反射後導致的直接時間延遲、間接相位延遲或是間接頻率延遲。
依據一些實施方式，偵測量測是對應該額外電荷載子之一電流值，該額外電荷載子在該倍增區域產生。
依據一些實施方式，其中施加該第二電壓及施加該第三電壓包含在個別該第二端點及該第三端點之間施加小於7伏之一電壓差；施加該第一電壓及施加該第二電壓包含在個別之第一端點及第二端點之間施加小於3伏之電壓差。
依據一些實施方式，該電荷載子及該額外電荷載子的流動係垂直於照射在該偵測區域的該表面之入射光方向。該電荷載子及該額外電荷載子的流動可平行於照射在該偵測區域的該表面之入射光方向。
揭露於說明書之標的之特別實施方式可實現下列一或多個優點。本技術之一優點為實現元件之雪崩操作的所需電壓可小於7伏(例如為6伏)。電壓小於7伏可在將元件併入較大系統(例如消費用途)時改善功率預算需求，及使現成零件(例如市售之CMOS相容電源)可提供電壓到元件。使用重摻雜(例如大於1018cm-3摻雜濃度)之P+層作為在偵測區域及倍增區域之間的過渡摻雜區域，可降低在元件一區域中的摻雜擾動的敏感度(其源自於製程控制因素)，因此可降低擊穿電壓擾動、雪崩電壓擾動等；這些擾動來自於元件摻雜不一致，且會造成永久擊穿、雪崩及/或元件過多之暗電流。
參考隨附圖式及下面之說明，將敘述本說明書所述標的之一或多個實施方式細節。本發明之以上及額外目的、特點及優點將透過下文中所述說明、圖示及請求向而更易理解。
100,400,500,600:雪崩式光電晶體元件
101:入射光
102,144,502,602:基底
104,304,516,616:倍增區域
105:界面
106,306,504,604:偵測區域
107:第一表面
108,308,408,520,620:過渡摻雜區域
109,111,113:深度
110,310,506,606:第一摻雜區域
112,514,614:第二摻雜區域
114,410,530,630:第一端點
116,412,532,632:第二端點
118,414,534,634:第三端點
120,122,508,510,518,522,608,612,618,622:厚度
140,160:示意圖
142:指狀部
146,152,168,510,610:寬度
148,166:長度
150,164:間隙
162:摻雜區域
200:範例程序
202,204,206,208,210,212,214:步驟
300:能帶圖
301,501:光源
318,324:電子
319,325:電洞
320,322:能障
404:矽倍增區域
406:鍺偵測區域
416:暗電流
418:倍增因數
420:漏電流
422,601:光源
424:光電流
507,607:表面
524,624:距離
528:方向
圖1A為雪崩式光電晶體元件100範例之方塊圖。
圖1B-1C為摻雜區域幾何範例的示意圖。
圖2為雪崩式光電晶體製程範例流程圖。
圖3為雪崩式光電晶體元件在操作狀態下的能帶示意圖。
圖4為雪崩式光電晶體元件在操作狀態下的等效元件電路示意圖。
圖5A-5B為另一雪崩式光電晶體元件之示意圖。
圖6A-6B為另一雪崩式光電晶體元件之示意圖。
本發明揭露一種雪崩式光電晶體(avalanche photo-transistor,APT)元件，可偵測一光訊號並將此光訊號轉換成一電訊號，且將此電訊號放大以進行處理。此雪崩式光電晶體元件具有三個端點，此三個端點分別對於一偵測區域、一倍增區域及一過渡摻雜區域施加電壓，此過渡摻雜區域位於偵測區域與及倍增區域之間。
依據一實施方式，施加之電壓可為數伏量級，例如小於3伏，且可施加在鍺偵測區域。此鍺偵測區域(例如晶體鍺層)之非故意背景摻雜位準可小於<1016cm-3。利用鍺偵測區域之一第一摻雜區域與過渡摻雜區域之間的電壓差可將電子一電洞對分離，及將電荷載子由偵測區域掃至倍增區域。
依據一實施方式，在一鍺偵測區域及一矽倍增區域之間的過渡摻雜區域可重摻雜以P型摻雜物，例如在過渡摻雜區域具有1018-1020cm-3的P型摻雜物，且過渡摻雜區域被偏壓後可以降低並穩定在矽倍增區域中形成反向偏壓PIN結構的崩潰電壓，例如可將崩潰電壓降到低於7伏。此被偏壓且具有重摻雜之過渡摻雜區域可降低在鍺偵測區域及矽倍增區域之間界面的能障高度，在鍺偵測區域產生的電荷載子可更易於流動到矽倍增區域。藉由矽倍增區域之一第二摻雜區域及過渡摻雜區域之間的電壓差，此矽倍增區域可以掃過及放大光生載子。
雪崩式光電晶體元件可包含一第一摻雜區域(例如摻雜濃度>1018cm-3之重摻雜p+區域)，此第一摻雜區域埋入鍺偵測區域且電性及實體連接到一第一端點、及包含一第二摻雜區域(例如摻雜濃度>1018cm-3之重摻雜n+區域)，此第二摻雜區域埋入矽倍增區域且電性及實體連接 到一第二端點。第一摻雜區域及第二摻雜區域之摻雜剖面可以分別部份選擇以使第一摻雜區域及第一端點間形成歐姆接觸(Ohmic contact)；而第二摻雜區域及第二端點間也形成歐姆接觸。
摻雜剖面(例如在過渡摻雜區域及第二摻雜區域中沿著深度方向的濃度分布)可部份選擇以在p+過渡摻雜區域及n+第二摻雜區域之間形成一PIN結構。PIN結構在p+區域及n+區域之間可以形成一本質區域(intrinsic region)，並由在過渡摻雜區域及第二摻雜區域之間的矽倍增區域形成，此本質區域具有低摻雜位準，例如可為非故意摻雜且摻雜物濃度小於1016cm-3。
依據一些實施方式，雪崩式光電晶體元件可經規劃而成為垂直整合元件，例如光線在元件頂表面開始被吸收，然後電荷沿著垂直方向流通此元件。圖1A為雪崩式光電晶體元件100範例之方塊圖。如圖1A所示，此雪崩式光電晶體元件100為垂直整合元件，且包含一基底102、一倍增區域104，位於基底102上、及一偵測區域106，位在倍增區域104上，此雪崩式光電晶體元件100另外包含一過渡摻雜區域108，位於倍增區域104及偵測區域106之間。
偵測區域106被配置可吸收射到偵測區域106之一第一表面107的光線，且入射光中在偵測區域106中產生一或多個電荷載子。此偵測區域106可為晶體鍺、鍺矽(GeSi)、或是其他利於光吸收及製程整合之材料。偵測區域106之至少一個表面(例如頂表面)相對入射光露出。如圖1A所示，偵測區域106是垂直整合雪崩式光電晶體元件100的頂層。
此偵測區域106具有一厚度120，此厚度120與第一表面107垂直且足以使入射光101(例如紅外光)吸收，藉此使入射光101可在偵測區域106被吸收；在偵測區域106中，至少一電荷載子對可由入射光101產生。此偵測區域106之厚度120例如可為0.5-5微米。
倍增區域104可被配置而自過渡摻雜區域108吸收一或多個電荷載子，且產生一或多個額外電荷載子。此倍增區域104可為晶體矽，或是其他適於倍增及垂直整合的材料。此倍增區域104沿著一界面105與偵測區域106相鄰。如圖1A所示，此倍增區域104係為由基底102支撐的一層材料且可支撐偵測區域106，其中過渡摻雜區域108係位於倍增區域104及偵測區域106之間的一界面處。
倍增區域104具有一厚度122，此厚度122與第一表面107垂直且足以自偵測區域106產生的一或多個載子再產生一或多個額外電荷載子。倍增區域104之厚度122例如可為100-500奈米(nm)。倍增區域104之厚度122可決定倍增區域104之厚度122之崩潰電壓。例如100奈米的厚度122相對應於需要5-7伏，以在倍增區域104實現雪崩式崩潰。依據另一範例，300奈米的厚度122相對應於需要15-21伏，以在倍增區域104實現雪崩式崩潰。
一第一摻雜區域110與偵測區域106之一表面相鄰。第一摻雜區域110具有由偵測區域106之表面算起的一深度111。此第一摻雜區域110包含p型摻雜，例如硼、鋁、鎵或是銦摻雜。第一摻雜區域110之摻雜剖面可為沿著深度111具有至少一臨界量(例如1016cm-3)的固定值摻雜濃度，使得在整個第一摻雜區域110維持定電壓。依據一範例， 此第一摻雜區域110包含摻雜濃度至少為1018cm-3的硼，且具有相鄰於鍺偵測區域106之第一表面107的一深度111。
一第二摻雜區域112與基底102之一表面相鄰。此第二摻雜區域112具有由基底102之表面算起的一深度113。此第二摻雜區域112包含n型摻雜，例如磷、砷、銻、鉍、或是類似摻雜。第二摻雜區域112之摻雜剖面可為沿著深度113具有至少一臨界量(例如1016cm-3)的固定值摻雜濃度，使得在整個第二摻雜區域112維持定電壓。依據一範例，此第二摻雜區域112包含摻雜濃度至少為1018cm-3的磷，且具有相鄰於基底102之表面的一深度113。
過渡摻雜區域108位於倍增區域104及偵測區域106之間。如圖1A所示，過渡摻雜區域108係埋入倍增區域104的一表面處，此表面與偵測區域106之一表面相鄰。此過渡摻雜區域108具有由倍增區域104之表面算起的一深度109。此過渡摻雜區域108之深度109可被選擇以微調倍增區域104之崩潰電壓。此外，此過渡摻雜區域108之深度109可被選擇以足夠薄到避免電荷載子的歐傑重組(Auger recombination)及移動趨緩，此部份將配合下列圖3解釋。
過渡摻雜區域108可藉由晶體矽層中摻雜材料(例如p型摻雜)的一臨界摻雜濃度範圍所界定。p型摻雜例如為硼、鋁、鎵或是銦摻雜。過渡摻雜區域108具有一摻雜濃度其大於臨界摻雜濃度。此臨界摻雜濃度為摻雜劑(例如p型摻雜)的最小量，且此最小量存在於過渡摻雜區域108中時，得以使整個過渡摻雜區域108具有定值電壓。依據一些實例，過渡摻雜區域108的臨界摻雜濃度可為1016cm-3。在過渡 摻雜區域108施加電壓，及在第二摻雜區域112施加電壓，可在倍增區域104上產生電壓差；此可降低及穩定在倍增區域104中形成的PIN二極體的崩潰電壓，例如可設定電壓差為小於7伏。依據一實例，過渡摻雜區域108為在晶體矽層內的一個區域，此區域具有在矽層中濃度為1018-1020cm-3的硼。
過渡摻雜區域108的摻雜剖面可為沿著深度109至少為臨界量的定值摻雜濃度。依據一實例，過渡摻雜區域108包含埋入一深度109(鄰接於倍增區域104及偵測區域106間的一界面105)且摻雜濃度大於1018cm-3的硼。
倍增區域104、偵測區域106及過渡摻雜區域108的每一者都電性及實體連接到一或多個端點。端點可為金屬或是金屬合金接點，其分別與對應區域電性及實體連接。例如，端點可由鋁、銅、鎢、鉭、金屬氮化物或是金屬矽化物構成。端點之一最小接觸面積可被選擇，使光訊號遮斷能最小化，同時仍能與一探針做實體及電性連接以使由探針來的施加電壓有最小的衰減。如圖1A所示，倍增區域104、偵測區域106及過渡摻雜區域108係分別至少與兩個端點電性及實體連接。雖然未示於圖1A，但是每一區域的至少兩個端點最後係彼此電性及實體連接。
一第一端點114與第一摻雜區域110電性接觸且可對偵測區域106施加電壓。更具體而言，第一端點114與第一摻雜區域110電性及實體接觸。此第一摻雜區域110之摻雜濃度可被選擇以使第一端點114及 第一摻雜區域110之間有小的接觸阻抗，俾使偏壓有效，且同時減少RC時間常數以增加元件操作速度。
一第二端點116與過渡摻雜區域108電性連接且可對於過渡摻雜區域108施加電壓，因此第一摻雜區域及過渡摻雜區域之間可以產生一電壓差及電場。第二端點116與過渡摻雜區域108電性及實體接觸。此過渡摻雜區域108之摻雜濃度可被選擇以使第二端點116及過渡摻雜區域108之間有小的接觸阻抗，俾使偏壓有效。
一第三端點118與第二摻雜區域112電性連接，且可對於倍增區域104施加電壓，以使過渡摻雜區域108及第二摻雜區域112之間可以產生一電壓差及電場。第三端點118與第二摻雜區域112電性及實體連接。第二端點116與過渡摻雜區域108電性及實體接觸。此第二摻雜區域112之摻雜濃度可被選擇以使三端點118及第二摻雜區域112之間有小的接觸阻抗，俾使偏壓有效，且同時降低RC時間常數以增加元件操作速度。
依據一些實例，對於操作頻寬大於GHz(亦即光通訊應用)的雪崩式光電晶體元件而言，各自端點及摻雜層的接觸阻抗及摻雜阻抗的總串接阻抗係小於數歐姆。依據其他實例，對於操作頻寬介於MHz及GHz(亦即飛時測距應用)的雪崩式光電晶體元件而言，各自端點及摻雜層的接觸阻抗及摻雜阻抗的總串接阻抗係小於數十歐姆。
參考圖2,3，及6，下面將對於施加到第一端點114，第二端點116及第三端點118之電壓做更詳細說明。
過渡摻雜區域108、第一摻雜區域110及第二摻雜區域112有各自的平面幾何(in-plane geometry)與第一表面107平行，且小於完整一層。圖1B-1C為摻雜區域幾何的圖示。
圖1B為摻雜區域的平面幾何示意圖140，摻雜區域為第一摻雜區域110、第二摻雜區域112或過渡摻雜區域108。如圖1B所示，此平面幾何為指狀結構(finger-like structure)且包含多個指狀部142及一基部144，其中每一指狀部142具有一寬度146及一長度148。在相鄰指狀部142有一間隙150，且間隙150具有寬度152。
圖1C為摻雜區域162的平面幾何示意圖160，摻雜區域162為第一摻雜區域110、第二摻雜區域112或過渡摻雜區108。如圖1C所示，此平面幾何為類似網格結構(mesh-like structure)且包含在摻雜區域的間隙164，此間隙164具有寬度168及長度166。雖然圖1C顯示在摻雜區域162具有正方形間隙164，但是間隙也可為其他幾何形狀，例如圓形、長方形、多邊形等。
雖然在圖1B及1C所示之平面圖樣為小於完整一層，雪崩式光電晶體元件100的一或多個摻雜層(例如第一摻雜區域110、第二摻雜區域112或過渡摻雜區域108)也可為完整層。
復參見圖1A，在照射狀態下，雪崩式光電晶體元件100由一光源101照射。光源101可為近紅外線(NIR)光源，且發射光波長為750奈米(nm)至1.64毫米(mm)。NIR光源之發射光峰值波長例如可為850nm、1.31mm或是1.55mm。依據一實例，NIR光源101可為由一NIR雷射、NIR發光二極體或是其他用於光通訊及/或光感測之NIR光源的直接 或是間接光線。光源101可照射到偵測區域106的至少一第一表面107，以使偵測區域106可吸收來自光源101的光線且由光源101光線產生一或多個載子。在垂直整合元件，如圖1A所示，電荷載子及其他電荷載子的流動係垂直於光線入射偵測區域106之表面的方向。配合圖2、3、及6，下面將說明在照射狀況下，雪崩式光電晶體元件100的操作。
雪崩式光電晶體的製作
圖1A所示的雪崩式光電晶體元件100的各個特點可在基底102上製作，例如使用CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor)微製程技術，亦即光微影製程、蝕刻製程、沈積製程等製程。依據一些實例，雪崩式光電晶體元件100的製作可包含利用離子布植、擴散、快速熱處理或是其他類似製程，以形成嵌入於基底102的第二摻雜區域112。
藉由各種真空技術，例如化學蒸汽沈積(CVD)、金屬有機化學蒸汽沈積(MOCVD)、分子束磊晶(MBE)、原子層沈積(ALD)或其他類似技術，可在矽基底102成長一矽倍增層104。依據一些實施方式，可使用如離子布植方式以將第二摻雜區域112埋入一矽基底102中，其中在埋入第二摻雜區域112上的一個未摻雜矽層可形成一矽倍增層104。
在形成矽倍增層104時，可在矽倍增層104的一界面105嵌入一過渡摻雜區域108，例如可使用矽材料成長的內摻雜(in-situ dopants)以形成過渡摻雜區域108。依據一些實施方式，過渡摻雜區域108可用布植或是擴散技術形成。
利用CVD、MOCVD、MBE、ALD或是類似技術，可在矽倍增層104頂部形成一鍺偵測區域106。在形成鍺偵測區域106時，可在鍺偵測區域106的一界面107嵌入一第一摻雜區域110，例如可使用鍺材料成長的內摻雜(in-situ dopants)以形成第一摻雜區域110。依據一些實施方式，第一摻雜區域110可用布植或是擴散技術形成。
使用包含沈積步驟、剝離步驟或是一蝕刻步驟的製程，可在雪崩式光電晶體元件100上製作端點114、116及118，以分別與第一摻雜區域110、過渡摻雜區域108及第二摻雜區域112接觸。
雪崩式光電晶體的操作範例
圖2為雪崩式光電晶體在操作狀況下的範例程序200的流程圖。雪崩式光電晶體元件100的操作狀況可包含對於雪崩式光電晶體元件100的個別端點(例如第一端點114、第二端點116及第三端點118)施加一或多個電壓。操作狀況還可以包含將雪崩式光電晶體元件100的至少一個表面(例如第一表面107)曝露於光源的照射下。
一第一電壓施加到與一偵測區域電連接的一第一端點(步驟202)。參考圖1A，一第一電壓VU施加到與偵測區域106電連接的一第一端點114。依據一實例，施加到第一端點114的第一電壓VU為0伏。
參考圖2，第二電壓施加到與過渡摻雜區域電連接的一第二端點(步驟204)。參考圖2，一第二電壓VM施加到與過渡摻雜區域108電連接的一第二端點116。第二電壓VM可部份經過選擇以將電荷載子由偵測區域106掃到倍增區域104。若電壓小於一臨界第二電壓，則過渡 摻雜區域108可作為偵測區域106及倍增區域104之間的閘極，在第二端點則需要超過臨界第二電壓的電壓，以利於電荷載子由偵測區域106到倍增區域104的移動，換言之，閘極需要電壓。例如，施加到第一端點114的第一電壓VU為0伏時，施加到第二端點116的一第二電壓VM可小於或是等於5伏，例如為3伏。
依據一些實施方式，施加第一電壓VU及施加第二電壓VM包含在第一端點及第二端點之間施加電壓差(小於5伏)及電場。在各自第一端點114及第二端點116之間的電壓差可被選擇足以使在偵測區域106(例如鍺層)產生的一或多個電荷載子可以在所需遷移時間而掃到過渡摻雜區域108。依據一實例，對於包含鍺的偵測區域106，第一端點114及第二端點116之間的電壓差為1-2伏。
復參考圖2，一第三電壓施加到與倍增區域電連接的一第三端點(步驟206)。參考圖1A，一第三電壓VL施加到與倍增區域104電連接的一第三端點118。例如，施加到第一端點114的第一電壓VU為0伏且施加到第二端點116的一第二電壓VM為3伏時，施加到第三端點118的一第三電壓VL可小於或是等於12伏，例如為10伏。
依據一些實施方式，施加第二電壓VM及施加第三電壓VL包含在第二端點116及第三端點118之間施加電壓差(小於9伏)及電場。在各自第二端點116及第三端點118之間的電壓差可被選擇以足以使在過渡摻雜區域108產生的一或多個電荷載子可以在所需遷移時間掃到倍增區域(例如矽層)且具有所需放大倍率。依據一實例，對於包含 矽的偵測區域106，第二端點116及第三端點118之間的電壓差為5-6伏。
參考圖3，此圖為雪崩式光電晶體元件(例如雪崩式光電晶體元件100)在操作狀態下的能帶圖300範例。此能帶圖300繪示雪崩式光電晶體元件100包含一倍增區域304、一偵測區域306、一過渡摻雜區域308(於倍增區域304及偵測區域306之間)。依據一些實施方式，偵測區域306包含一第一摻雜區域310，其中第一摻雜區域310為重摻雜p+型區域且電荷濃度為大於1018cm-3。倍增區域304包含一第二摻雜區域，其中第二摻雜區域為重摻雜n+型區域且電荷濃度為大於1018cm-3。過渡摻雜區域308為重摻雜區域且電荷濃度為大於1018cm-3。
如前述圖2之步驟202-206所敘述，對於雪崩式光電晶體元件的各自端點施加一組電壓VU、VM及VL，可產生如圖3所示之能帶圖。例如，一電壓差施加在一第一端點(例如第一端點114且與第一摻雜區域310電連接)及一第二端點(例如第二端點116且與過渡摻雜區域308電連接)，且此電壓差小於3伏；此外，一電壓差施加在第二端點及一第三端點(例如第三端點118且與第二摻雜區域電連接)，且此電壓差小於7伏。如果第一摻雜區域、過渡摻雜區域及第二摻雜區域分別為p+、p+及n+摻雜，在倍增區域104所形成之PIN接面特性為反向偏壓PIN接面。
復參見圖2，在光線入射到偵測區域的一表面後，一或多個電荷載子可在偵測區域內產生(步驟208)。在偵測區域內產生的電荷載子相關的光電流係相關於第一摻雜區域及過渡摻雜區域之間的電場。參考 圖3，由一光源301入射之光線(亦即由一NIR光源301來之NIR光線)係照射在偵測區域306之一表面上。由光源301來的光線在偵測區域內被吸收，亦即在晶體鍺層吸收，且一或多個電荷載子(亦即電子318及電洞319)由被吸收之光線產生。
復參見圖2，藉由過渡摻雜區域，一或多個電荷載子可由偵測區域供應到倍增區域(步驟210)。若將足夠的第一電壓VU及第二電壓VM分別供應到第一摻雜區域及過渡摻雜區域，電荷載子將由偵測區域掃到倍增區域。如圖3所示，一或多個電荷載子(例如電子318)越過一個能障320以由偵測區域306掃到倍增區域304，且施加小電場甚至零電場。對於電洞319的一能障322可以促進電子318與電洞319之間的電荷分離，此能障322係由偵測區域306及過渡摻雜區域308之間界面形成的鍺層與矽層能帶對準所產生。在第二端點及第三端點間施加的電壓差可產生強電場並實現在倍增區域304中的雪崩過程，此雪崩過程有助於電子318流到倍增區域304且在倍增區域304放大電子數目。
如圖2所示，在倍增區域中使用一或多個電荷載子而產生一或多個額外電荷載子(步驟212)。一旦圖3所示的一或多個電子318被掃到倍增區域304，即可產生電荷倍增程序，並在倍增區域304內產生額外的電子324及電洞325對。若在第二端點(例如第二端點116)及第三端點(例如第三端點118)之間施加足夠之電壓差，例如至少7伏的電壓差，倍增區域304可在雪崩程序下操作，產生一或多個額外載子以提供對於一或多個載子的放大。額外產生的一或多個電洞325移向 重摻雜p+型第一摻雜區域310且在第一端點被收集；而一或多個額外電子324則流到重摻雜n+型第二摻雜區域且在第三端點被收集。
復參見圖2，部份依據此一或多個額外的載子，可提供一偵測量測(步驟214)。依據一些實施方式，偵測量測是對應額外電荷載子之電流值，此額外電荷載子在倍增區域304產生且被第三端點在n+型第二摻雜區域收集。對於收集電流值更進一步敘述可參見下列配合圖4的說明。
依據一些實施方式，由光源301來的入射光包含一或多個光脈衝，此光脈衝在一介質(例如空氣、液體、石頭或是磚塊)中行進且被一物件反射。此物件可為一人物(例如手，臉，手指等)、一交通工具(例如汽車、飛機等)、一建築物或是其他物件。在介質中行進的光脈衝可以來自NIR雷射源，其中光脈衝由物件反射並入射到雪崩式光電晶體元件。偵測量測包含確認由一或多個光脈衝(在介質中行進且被物件反射)的飛行時間導致的直接時間延遲、間接相位延遲或是間接頻率延遲。依據一些實施方式，由光源301的入射光包含一或多個在侷限介質(例如光纖、光波導)中行進及由其穿過的一或多個光脈衝。在此介質行進的光脈衝可來自一NIR雷射源，其中脈衝入射到此雪崩式光電晶體元件。偵測量測包含確認數位光通訊(使用行進於介質中的一或多個光脈衝)的2n狀態中的一個"0"狀態、一個"1"狀態或是一特定狀態。
圖4為在操作狀態下的雪崩式光電晶體元件400的等效電路。配合圖1A所示，圖4所示之雪崩式光電晶體元件400包含一矽倍增區域404、 一鍺偵測區域406及一過渡摻雜區域408(位於矽倍增區域404及鍺偵測區域406之間)。一第一端點410電連接至此鍺偵測區域406之一第一摻雜區域，且此第一摻雜區域埋入此鍺偵測區域406內。一第二端點412電連接至此過渡摻雜區域408。一第三端點414於鄰接此矽倍增區域404之一第二摻雜區域處電連接至此矽倍增區域404。
在操作狀態下，一第一電壓VU(例如為0伏)施加到此第一端點410。一第二電壓VM(例如為3伏)施加到此第二端點412。一第三電壓VL(例如為10伏)施加到此第三端點414。在第一端點410及第二端點412之間的電壓差(亦即在前述第一電壓VU及第二電壓VM之間的電壓差3伏)可對於鍺偵測區域406施加電壓且產生由鍺偵測區域406流到第一端點410之暗電流
Figure 108115684-A0305-02-0020-1
416。
在第二端點412及第三端點414之間的電壓差(亦即在前述第二電壓VM及第三電壓VL之間的電壓差7伏)可對於矽倍增區域404偏壓，以使矽倍增區域404在雪崩狀態下操作。在雪崩狀態下操作的被偏壓矽倍增區域404，若有注入電荷載子，則會有倍增因數M* 418，此倍增因數M* 418導致雪崩式光電晶體元件400的增益。第二電壓VM施加到第二端點412，可產生由第二端點412流到第一端點410的漏電流
Figure 108115684-A0305-02-0020-2
420，且此漏電流
Figure 108115684-A0305-02-0020-3
420在第一端點410可量測到。
在暗狀況(dark condition)下，亦即雪崩式光電晶體元件400未被光照射下，倍增因數M* 418也會增加暗電流
Figure 108115684-A0305-02-0020-4
416。在暗狀況(dark condition)下於第一端點410的電流量測值I u (D)為
Figure 108115684-A0305-02-0020-5
在照射狀態下，亦即雪崩式光電晶體元件400被光照射下，一雪崩式光電晶體元件400接受光源422(亦即一NIR雷射)的入射光照射。光能照射到鍺偵測區域406並轉換成一或多個電荷載子(亦即電子電洞對)以產生光電流
Figure 108115684-A0305-02-0021-7
424，此電子電洞對會被分開以使電子流到矽倍增區域404及第三端點414，而電洞427流到第一端點410。電子被放大以在矽倍增區域404產生一或多個額外電荷載子。在照射狀況下於第一端點410的電流量測值I u (L)為
Figure 108115684-A0305-02-0021-6
藉由在照射狀況下的電流量測值I u (L)中減去暗狀況的電流量測值I u (D)，即可得到放大之光電流量測值，其中所得結果為對應在矽倍增區域404產生額外電荷載子的電流值。
依據一些實施方式，偵測量測包含確認由一或多個光脈衝(在介質中行進且被物件反射)的飛行時間導致的直接時間延遲、間接相位延遲或是間接頻率延遲。藉由量測光源422的脈衝時間及雪崩式光電晶體元件400光電流的電流量測值I u (D)，即可決定直接時間延遲、間接相位延遲或是間接頻率延遲。例如，使用時間-數位轉換器(time-to-digital converter)即可量測介於發射一NIR雷射脈衝及偵測反射NIR雷射脈衝之間的直接時間延遲。例如，可使用與振幅調變連續波NIR雷射(或是頻率調變連續波NIR雷射)有相同波形之本地振盪器(local oscillator)與反射NIR雷射混波以產生間接相位延遲或是間接頻率延遲。
雪崩式光電晶體之其他實施例
依據一些實施方式，雪崩式光電晶體元件可設置為水平整合元件，亦即光在元件的頂表面被吸收，然後電荷在水平(側向)流經元件的寬度方向。換言之，電荷載子及額外電荷載子的流動方向係水平於光照射到偵測區域表面的方向。水平整合元件可具有和鍺偵測區域水平(側向)分離之重摻雜p+區域，亦即此重摻雜p+區域鄰接或是圍繞鍺偵測區域。圖5A及5B及圖6A及6B顯示用於雪崩式光電晶體元件之水平整合元件結構的兩個實施例。圖5A及5B為另一雪崩式光電晶體元件示意圖，其中過渡摻雜區域與偵測區域水平分開。圖5A為單邊(unilateral)雪崩式光電晶體元件500之剖視圖，其中電荷載子及額外電荷載子之流動方向水平於雪崩式光電晶體元件500之頂表面。單邊雪崩式光電晶體元件500包含一基底502(例如一矽基底)。基底502可另外包含在其頂部磊晶成長之一矽層。一偵測區域504(例如鍺偵測區域)係嵌入磊晶成長之矽層及/或矽基底502。嵌入鍺偵測區域部份可由蝕刻磊晶成長之矽層及/或矽基底502以形成一凹槽，然後在凹槽中選擇性成長鍺而製作。鍺偵測區域504之厚度508可為0.5-5微米(um)，寬度510可為0.5-50微米(um)。
一第一摻雜區域506嵌入偵測區域504並鄰接偵測區域504之一表面507，其中表面507為光源501光線入射此雪崩式光電晶體元件之頂表面。第一摻雜區域506之摻雜剖面為超過一臨界值(例如1016cm-3)的定值摻雜濃度且深入偵測區域504一厚度512。在此厚度512中，沿其深度例如至少有1018cm-3之P+摻雜濃度。依據一些實例，第一摻雜 區域506之摻雜層厚度512可介於20奈米(nm)及500奈米(nm)。依據一些實例，摻雜層厚度512可為其他數值。
一第二摻雜區域514鄰接於此偵測區域504且部份或是全部嵌入一倍增區域516(例如磊晶成長且與表面507相鄰之矽層)。第二摻雜區域514之摻雜剖面為超過一臨界值(例如1016cm-3)的定值摻雜濃度且深入倍增區域516一厚度518。在此厚度518中，沿其深度例如至少有1018cm-3之n+摻雜濃度。依據一些實例，第二摻雜區域514之摻雜層厚度518可介於20奈米(nm)及1500奈米(nm)。依據一些實例，摻雜層厚度518可為其他數值。
一過渡摻雜區域520係位於第一摻雜區域506及第二摻雜區域514之間，且嵌入矽材料內(例如在第一摻雜區域506及第二摻雜區域514之間的矽基底502內)。過渡摻雜區域520之摻雜剖面為超過一臨界值(例如1016cm-3)的定值摻雜濃度且深入過渡摻雜區域一厚度522。在此厚度522中，沿其深度例如至少有1018cm-3之p+摻雜濃度。依據一些實例，第過渡摻雜區域520之摻雜層厚度522可介於20奈米(nm)及500奈米(nm)。依據一些實例，摻雜層厚度522可為其他數值。
類似於圖1A所示之垂直整合元件之倍增區域104，過渡摻雜區域520及第二摻雜區域514之間的距離524界定雪崩式光電晶體元件500之倍增區域516。如圖5A所示，在偵測區域504中產生的一或多個電荷載子沿著方向528而水平流向倍增區域516，其中一或多個額外電荷載子係由雪崩程序產生。
第一摻雜區域506、過渡摻雜區520及第二摻雜區域514中每一個都與一對應端點電性及實體連接。第一摻雜區域506係電性連接到第一端點530，此第一端點530供應第一電壓VU。過渡摻雜區域520係電性連接到第二端點532，此第二端點532供應第二電壓VM。第二摻雜區域514係電性連接到第三端點534，此第三端點534供應第三電壓VL。
圖5B為雪崩式光電晶體元件500之上視圖。如圖5B所示，此偵測區域504圍繞第一摻雜區域506，且過渡摻雜區域520係位於第一摻雜區域506及第二摻雜區域514之間。
與圖1A所示之垂直整合元件相較，圖5A所示之水平整合元件之優點為平坦之表面形貌。這樣可降低面內應力以有助於後端金屬程序及可更加控制化學機械研磨。
依據其他實例，雪崩式光電晶體元件500之過渡摻雜區域圍繞偵測區域。圖6A及6B為另一雪崩式光電晶體元件示意圖，其中雙邊雪崩式光電晶體之過渡摻雜區域620圍繞偵測區域。相對於圖5A及5B所示的單邊雪崩式光電晶體元件500之單一方向528，於圖6A及6B所示的雙邊雪崩式光電晶體元件600對於產生的電荷載子有多個流動方向。圖6A為雙邊雪崩式光電晶體元件600之剖視圖。雙邊雪崩式光電晶體元件600包含一基底602(例如一矽基底)。基底602可另外包含在其頂部磊晶成長之一矽層。一偵測區域604(例如鍺偵測區域)係嵌入磊晶成長之矽層及/或矽基底602。類似於單邊雪崩式光電晶體元件500，此嵌入鍺偵測區域部份可由蝕刻磊晶成長之矽層及/或矽基底602以 形成一凹槽，然後在凹槽中選擇性成長鍺而製作。鍺偵測區域604之厚度608可為0.5-5微米(um)，寬度610可為0.5-50微米(um)。
一第一摻雜區域606嵌入偵測區域604並鄰接偵測區域604之一表面607，其中表面607為光源601光線入射此雪崩式光電晶體元件之頂表面。第一摻雜區域606之摻雜剖面為超過一臨界值(例如1016cm-3)的定值摻雜濃度且深入偵測區域604一厚度612。在此厚度612中，沿其深度例如至少有1018cm-3之P+摻雜濃度。
如圖6B所示，一第二摻雜區域614圍繞此偵測區域604且部份或是全部嵌入一倍增區域616(例如磊晶成長且與表面607相鄰之矽層)。第二摻雜區域614之摻雜剖面為超過一臨界值(例如1016cm-3)的定值摻雜濃度且深入倍增區域616一厚度618。在此厚度618中，沿其深度例如至少有1018cm-3之n+摻雜濃度。
如圖6B所示，一過渡摻雜區域620係位於第一摻雜區域606及第二摻雜區域614之間，且圍繞偵測區域604。此過渡摻雜區620嵌入矽材料內(例如矽基底602內)。過渡摻雜區域620之摻雜剖面為超過一臨界值(例如1016cm-3)的定值摻雜濃度且深入過渡摻雜區域一厚度622。在此厚度622中，沿其深度例如至少有1018cm-3之p+摻雜濃度。
類似於圖1A所示之垂直整合元件之倍增區域104，過渡摻雜區域620及第二摻雜區域614之間的距離624界定雪崩式光電晶體元件600之倍增區域616。如圖6A所示，在偵測區域604中產生的一或多個電荷載子沿著方向528而水平流向環繞偵測區域604的倍增區域516，其中一或多個額外電荷載子係由雪崩程序產生。
第一摻雜區域606、過渡摻雜區域620及第二摻雜區域614中每一個都與一對應端點電性及實體連接。第一摻雜區域606係電性連接到第一端點630，此第一端點630供應第一電壓VU。過渡摻雜區域620係電性連接到第二端點632，此第二端點632供應第二電壓VM。第二摻雜區域614係電性連接到第三端點634，此第三端點634供應第三電壓VL。
依據一些實施方式，入射到雪崩式光電晶體元件的偵測區域第一表面的光線是經由自由空間耦合到雪崩式光電晶體元件的第一表面。入射光例如可為正向(垂直)入射到偵測區域的第一表面(如圖1A所示的入射光101入射到表面107)。依據一些實施方式，入射到雪崩式光電晶體元件的偵測區域的光線是經由一波導的消逝波耦合而耦合到雪崩式光電晶體元件的偵測區域。此雪崩式光電晶體元件可與一波導(例如矽脊狀波導)整合，光線在被動波導傳遞且由消逝波方式耦合到雪崩式光電晶體元件的偵測區域(例如鍺偵測區域)。光線的消逝波耦合可為面內(in-plane)，亦即與偵測區域第一表面平行方向耦合進來。
依據前述說明及對應圖示，本發明揭露的雪崩式光電晶體元件包含偵測區域及倍增區域以產生光電流，其中偵測區域係在非雪崩模式操作以偵測及產生電荷載子，而倍增區域係在雪崩模式操作以放大電荷載子。在雪崩模式操作係在倍增增益大於1(M>1)的操作狀況下操作；而非雪崩模式操作係在倍增增益等於1(M=1)的操作狀況下操作。
更明確而言，此雪崩式光電晶體元件分別施加三個定值電壓到一第一摻雜區域、一過渡摻雜區域及一第二摻雜區域。在過渡摻雜區域的電壓可以適度設計以穩定在偵測區域及倍增區域的操作。另一方面，偵測區域的材質(例如為鍺)及倍增區域的材質(例如為矽)不同。材質的差異可使偵測及倍增效率可以分別提升。
儘管本說明書中描述了許多實施細節，但是這些不應被解釋為限制本發明專利範圍，而是作為對特定實施例特定的特徵的描述。在本說明書中在單獨實施例的上下文中描述的某些特徵也可以在單個實施例中組合實現。相反，在單個實施例的上下文中描述的各種特徵也可以在多個實施例中單獨地或以任何合適的次組合來實現。此外，雖然特徵可以在上面被描述為在某些組合中起作用並且甚至最初如此要求保護，但是來自所要求保護的組合的一個或多個特徵在一些情況下可以從組合中刪除，並且所要求保護的組合可以涉及次組合或次組合變體。
再者，雖然在本文的圖式中顯示某些實施方式依照特定的操作順序實施，但應可理解的是，此種順序可能是非必要的(意即，實施方是可以不同順序實施該等操作、結合某些操作或重疊某些操作等)，且在某些情況下，多工和並行處理某些操作是有利的。此外，在前述實施方式中，不同的系統組件的分離不應被理解為在所有實施方式中都需要這樣的分離，並且應當可理解的是，所描述的程序組件和系統可整合於單一軟體產品中或封裝到多個軟體產品中。
雖然本發明已以特定實施方式揭露如上，然本發明保護範圍仍涵括其他實施方式。在一些狀況下，在專利範圍所述之操作可以不同次序進 行且仍可實現所需結果。此外，在附加圖示所繪示之程序不需要所示之特定次序或是依序的次序以實現所需結果。在一些實施方式，以多工或是平行處理可能較佳。
100:雪崩式光電晶體元件
101:入射光
102:基底
104:倍增區域
105:界面
106:偵測區域
108:過渡摻雜區域
107:第一表面
109,111,113:深度
110:第一摻雜區域
112:第二摻雜區域
114:第一端點
116:第二端點
118:第三端點
120,122:厚度

Claims (9)

  1. 一種雪崩式之光電晶體，包含：一基底包含一第一表面及一第二表面；一偵測區域嵌入該基底，該偵測區域被配置為：吸收入射在該偵測區域之一第一表面上的一入射光；依據該入射光以產生一或多個電荷載子；一第一端點與該偵測區域電性連接且可對於該偵測區域施加一電壓；一過渡摻雜區域，具有一第一類型摻雜的摻雜濃度大於一臨界摻雜濃度；一第二端點與該過渡摻雜區域電性連接且可對於該過渡摻雜區域施加一電壓；一倍增區域被配置為：接收自該過渡摻雜區域流出之該一或多個電荷載子；對應於接收的該一或多個電荷載子，產生一或多個額外電荷載子；及一第三端點與該倍增區域電性連接且可對於該倍增區域施加一電壓，其中，該過渡摻雜區域位於該偵測區域和該倍增區域之間，及其中該偵測區域，該過渡摻雜區域，及該倍增區域水平設置於該基底之該第一表面。
  2. 如申請專利範圍第1項之雪崩式之光電晶體，其中該偵測區域包含一晶體鍺層。
  3. 如申請專利範圍第1項之雪崩式之光電晶體，其中該倍增區域包含一晶體矽層。
  4. 如申請專利範圍第1項之雪崩式之光電晶體，其中該過渡摻雜區域之該第一類型摻雜為一p型摻雜。
  5. 如申請專利範圍第4項之雪崩式之光電晶體，其中在一晶體矽層中的該p型摻雜的該臨界摻雜濃度至少為1016cm-3。
  6. 如申請專利範圍第1項之雪崩式之光電晶體，其中該過渡摻雜區域圍繞該偵測區域。
  7. 如申請專利範圍第1項之雪崩式之光電晶體，其中跨過該倍增區域的電壓差小於7伏。
  8. 如申請專利範圍第7項之雪崩式之光電晶體，其中跨過該偵測區域的電壓差小於3伏。
  9. 如申請專利範圍第1項之雪崩式之光電晶體，其中該偵測區域在非雪崩模式下操作，且該倍增區域在雪崩模式下操作。
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