用于降低光检测器中的信号损失的方法及设备的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明描述涉及降低光检测器中的光学信号损失的实施例。
【背景技术】
[0002]光子装置现今集成在与电子电路(例如CMOS电路)相同的衬底上。用于此集成的衬底材料通常为硅(块状硅或绝缘体结构上的硅)。许多光子装置可形成在提供在衬底上方的图案化硅层中。例如，衬底上方的波导核心可由硅形成，衬底也可为硅衬底，前提是硅波导核心被具有比所述核心的硅低的折射率的包层环绕。二氧化硅通常用作合适的包层材料，因为相较于硅的约3.45折射率，二氧化硅具有约1.45折射率。其它材料也可用作波导核心及包层材料，前提是在核心的较高折射率与包层的较低折射率之间存在足够差值。
[0003]然而，一些光子装置必须由除硅外但与硅介接的材料形成。光检测器(例如具有P区域及N区域(其间具有本征区域)的PIN光二极管)的P区域及N区域可由硅形成，且光检测器的本征区域可由锗或硅-锗材料(对于用于光检测器的硅-锗材料，锗摩尔分率应为至少30% )形成。出于本文论述的目的，在论述硅锗材料时，将假设其具有至少30%的锗摩尔分率。锗或硅-锗通常优选用于接收光的光检测器中，因为对于大于1.1 μπι的波长的光，锗或硅-锗比硅更灵敏。
[0004]在锗或硅-锗材料经形成与硅接触(例如在与PIN 二极管的硅P区域或N区域介接的界面处)时，在所述界面处发生晶格失配缺陷。例如，在锗到硅界面处，存在4.2%晶格失配。晶格失配形成错配位错，其在界面处形成电荷捕获状态。捕获状态可通过在光检测器的能带隙中产生导致暗电流产生的能阶而干扰光电转换过程。暗电流降低光检测器的总信噪比且降低其对所接收光的光电转换的响应能力。
[0005]将需要一种减轻错配位错及对应的捕获状态对光检测器对光的响应能力的影响的光检测器结构及其制作方法。
【附图说明】
[0006]图1说明本发明的第一实施例；
[0007]图2说明本发明的第二实施例；
[0008]图3说明本发明的第三实施例；
[0009]图4说明本发明的第四实施例；
[0010]图5A、5B、5C、5D、5E说明用于形成图1实施例的方法实施例的连续步骤；及
[0011]图6A、6B、6C说明用于形成图2实施例的第二方法实施例的连续步骤。
[0012]图7A及7B分别说明替代实施例。
【具体实施方式】
[0013]本文中所描述的实施例提供一种光检测器，其中在与波导核心相同的平面上不存在于例如锗或硅-锗的本征区域与半导体(例如硅)区域之间的界面处发生的错配位错及相关联电荷捕获状态，所述波导核心光学耦合到光检测器的本征区域。通过使界面以及相关联错配位错及捕获状态移位到低于或高于波导核心的高度，将缺陷从光检测器的光接收本征区域移除。此降低暗电流且提供改进的光检测器信噪比。
[0014]图1说明第一结构实施例，其中PIN 二极管光检测器134经形成以接收来自相邻波导核心121的光。硅衬底111具有形成在其中的浅沟槽隔离区域，其含有氧化物119，例如，二氧化硅。浅沟槽隔离区域提供上表面120，波导核心121形成在上表面120之上。浅沟槽隔离区域可具有至少I μπι的厚度。波导核心121可由具有比沟槽氧化物119高的折射率的硅形成。氧化物123 (例如，二氧化硅)还提供在侧面上且在波导核心121上方，使得波导核心121被包层氧化物环绕。以此方式，通过核心121以及由氧化物119及氧化物123提供的包层形成光波导。其它材料也可用于形成核心121以及包层119及123，前提是波导核心121的材料的折射率比包层材料的折射率高。
[0015]硅衬底111具有上表面112，其凹陷到上方形成波导核心121的氧化物表面120的高度下方。衬垫氧化物113提供在硅衬底111的上表面112处。或者，如下文将参考用于形成图1结构的方法进一步描述，衬垫氧化物113可被省略。PIN光检测器134的本征区域125是由例如锗或硅-锗形成，且提供在氧化物123中的开口 150内，使得本征区域125的下表面与娃衬底111形成界面140。娃衬底111在其上部分处包含N讲区域114。本征区域125的材料与下伏硅N阱114之间的界面140(此处将发生错配位错)向下移位到氧化物119的上表面120下方，且因此到波导核心121的最低高度下方。硅衬底111的上表面112在高度上从氧化物119的上表面120向下移位达从约I埃到约10纳米的范围内的距离屯。因此，界面140放置在接收来自波导核心121的光的本征区域125的范围下方，且暗电流降低。本征材料125的上表面也在开口 150内凹陷且P掺杂硅层在其中形成为硅插塞132。本征材料125与硅插塞132的界面138在高度上相对于波导核心121的上表面向上移位也达从约I埃到约10纳米的范围内的距离d3，以降低所述界面处的界面捕获状态对从波导核心121接收的光子的影响。
[0016]图1还展示N阱114中的更重N掺杂欧姆接触区域192，其用于连接提供与N阱114的电连接的导体填充通孔160。同样地，比硅插塞132更重P掺杂的欧姆接触区域190提供在硅插塞132内用于电接触到硅插塞132。
[0017]如图1中所展示，波导核心从PIN 二极管光检测器134稍微侧向隔开，使得波导核心121到本征材料125的耦合是通过消散波耦合。在操作中，将由本征材料125从核心121接收的光子转换成电子及空穴，其分别流动到N阱114及P型硅插塞132，而本征材料125与N阱114及硅插塞132的界面处的捕获状态对光子转换的影响甚微
[0018]图2说明另一实施例，其中光检测器170的本征区域126与N阱区域114区域的界面140a移位到氧化物119的上表面下方，且因此到波导核心121的最低高度下方。在此实施例中，通过提供在氧化物123中的第一上开口部分135及其下方提供在N阱114内的第二下开口部分137，提供高纵横比(深度除以宽度)结构。上开口部分135及下开口部分137的侧壁内衬有氧化物衬里127，其还可在波导包层氧化物123上方延伸。氧化物衬里127不存在于下开口部分137的底部处。上开口部分135及下开口部分137填充有本征材料(例如，锗或硅-锗)以形成光检测器170的本征区域126。本征材料可为N型或P型，且具有小于lE15cm_3的低掺杂浓度。例如，本征材料可为具有小于IE 15cm_3的掺杂浓度的N型。在开口部分137的底部处的硅衬底111的本征区域126与N阱区域114的界面再次移位到浅沟槽氧化物119的上表面下方达约I埃到约10纳米的范围内的距离d2，且因此到波导核心121的最低高度下方。上开口部分137内的本征材料区域126的上表面凹陷，且P掺杂硅插塞132形成在凹部中。本征区域126与P掺杂硅插塞132的界面138也移位到波导核心121的上表面上方达约I埃到约10纳米的范围内的距离d3，以在所述界面处的捕获状态下降低暗电流。
[0019]图2实施例还具有从本征区域126侧向隔开的波导核心121，且将其间的消散波耦合用于从核心121到本征区域126的光学信号传送。
[0020]图2实施例还包含延伸穿过氧化物123及氧化物衬里127到N阱114的导电通孔160，及在N阱中用于提供到N阱114的良好欧姆接触的更重掺杂N区域192。硅插塞132还包含更重掺杂P区域190，其用于提供到硅插塞132的良好欧姆接触。
[0021]图1及图2实施例展示波导核心121与光检测器134(图1)或170(图2)之间的侧向间隔及消散波耦合。然而，如在各自图3及4中所展示，图1及图2可经修改以通过使波导核心121向上抵靠光检测器134 (图1)或170 (图2)的本征区域进行对接来获得波导核心121到光检测器的对接