专利名称：一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备的制作方法
一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备技术领域
本发明属于光学设备领域，更具体地说，涉及一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备。
背景技术：
因为因特网数据传输增长率超过话音传输而推动对光纤光通信的需要，所以对快速和有效的基于光的技术的需要不断增加。在密集波分复用(DWDM)系统中的同一光纤之上的多光信道的传输提供了使用由光纤提供的空前容量(信号带宽)的简单方法。在系统中通常使用的光学元件包括波分复用(WDM)的发射机和接收机、滤光器，例如，衍射光栅、薄膜滤光器、光纤Bragg光栅、阵列波导光栅、光学添加/下降(add/drop)多路器、激光、光交换机和光电检测器。光电二极管可以用作光电检测器，通过将入射光转换为电信号来检测光。电路可以与光电检测器连接在一起，以接收表示入射光的电信号。然后电路可以根据所要求的应用处理电信号。发明内容
公开了具有分开的吸收和倍增(SAM)区域的锗/硅雪崩光电检测器(APDs)的方法和装置。在下面的介绍中，阐述了大量的特定的细节，以便提供对本发明的彻底的了解。 然而，对于本领域的普通技术人员来说，显然不必采用特定的细节来实践本发明。在其它情况中，没有详细介绍众所周知的材料或方法，以免模糊本发明。
贯穿本说明书，对“一个实施例”的引用是指在本发明的至少一个实施例中包括结合实施例进行描述的特定的特征、结构或特性。因此，在贯穿本说明书的不同地方出现的短语“在一个实施例中”不一定全部涉及同一个实施例。此外，在一个或多个实施例中，特定的特征、结构或特性可以以任何合适的方式组合。另外，可以理解，随同提供的附图对于本领域的普通技术人员是用于说明目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
参考以下附图介绍本发明的非限定和非穷举的实施例，其中相同的标号指的是全部图中相同的部分，除非另作说明。
图IA是说明在用于本发明实施例的系统中具有分开的吸收和倍增区域的多个锗/硅雪崩光电检测器的剖面图的图。
图IB是说明布置在用于本发明实施例的二维阵列中的具有分开的吸收和倍增区域的多个锗/硅雪崩光电检测器的俯视图的图。
图2是说明相对于用于本发明实施例的雪崩光电检测器的吸收区域的硅和锗层的响应率对波长的关系的图。
图3是说明在用于本发明实施例的具有分开的吸收和倍增区域的锗/硅雪崩光电检测器的倍增区域中使用硅对灵敏度的改善的图。
图4A是说明用于本发明实施例的具有谐振腔的锗/硅雪崩光电检测器的剖面图的图。
图4B是说明用于本发明实施例的具有显示出产生的电子空穴对的谐振腔的锗/ 硅雪崩光电检测器的剖面图的另一个图。
具体实施方式
图IA是说明用于本发明实施例的系统100的剖面图的图，包括以具有一维或多维的栅格或阵列101方式排列的多个雪崩光电检测器103A、103B、…、103N。光照 (illumination) 117入射到阵列101的多个雪崩光电检测器103A、103B、…、103N的一个或多个上。在所示的例子中，具有光照117的对象116的图像可以通过光学元件130聚焦到阵列101上。因此，阵列101可以起检测图像的作用，类似于，例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列等。
图IB示出了用于本发明实施例的具有以二维栅格方式排列的多个雪崩光电检测器103A、103B、...、103N的阵列101的俯视图，由此多个雪崩光电检测器103A、103B、…、 103N中的每一个起像素等的作用。在图IB中所示的例子示出了在光照117内使用阵列101 的像素的对象116的图像118。
注意，虽然图IA和IB为了说明的目的说明了在成像系统中采用的雪崩光电检测器的例子应用，但是在其它类型的应用中也可以采用雪崩光电检测器，例如，根据本发明的启示实现了包括可见到红外波长的具有任何波长的光的检测。
重新参考图1A，光学元件131可以是透镜或其它类型的折射或衍射光学元件，由此将具有光照1 17的图像聚焦在阵列101上。对于本发明的实施例，光照1 17可以包括可见光、红外光和/或跨过可见到红外光谱的波长的组合。
在图IA所示的例子中，多个雪崩光电检测器103A、103B,···, 103N中的每一个包括半导体材料层105、107、109、111、113和115。接触131与层105连接在一起，接触133与层 1 15连接在一起。对于一个实施例，层105是具有例如kl9cm-3的掺杂浓度和例如100纳米的厚度的硅的P+掺杂层。对于一个实施例，层105具有提供改善接触131与层105之间的电连接的掺杂浓度。对于一个实施例，层107和109是形成雪崩光电检测器103A的吸收区域135的本征半导体材料区。对于一个实施例，层107是本征硅层，层109是本征锗层。 紧邻吸收区域135的是分开的倍增区137，包括例如硅的本征半导体材料层113。如说明的例子所示，层113布置在ρ-掺杂硅层111与η+参杂硅层115之间。对于一个实施例，层 111具有例如100纳米的厚度和例如Hel7cm3的掺杂浓度。对于一个实施例，层115具有例如5el9CnT3的掺杂浓度。在所示的例子中，多个雪崩光电检测器103Α、103Β···，、103Ν中的每一个连接在地与电压VI、V2、…、V。之间，由此偏置每个雪崩光电检测器在层105与 1 15之间如图所示产生电场。
当然，应当理解，在本公开中描述的特定例子的掺杂浓度、厚度和材料等是为了说明的目的，并且根据本发明的启示也可以利用其它掺杂浓度、厚度和材料等。
操作中，光照1 17入射到多个雪崩光电检测器103Α、103Β、…、103Ν中的每一个的一个或多个层105上。层105较薄，由此基本上所有的光照1 1穿过层105传播到吸收区135的层107。对于一个实施例，本征硅层107吸收波长在大约420纳米到大约一 1100纳米范围内的光。波长大于大约一1100纳米的大部分光穿过本征硅层107传播到吸收区 135的本征锗层109中。本征锗层109吸收穿过层107的波长达到大约1600纳米的剩余的光。
为了说明，图2是示出了用于本发明实施例的硅和锗的响应率对波长关系的例子的图201。特别地，图201示出了硅的响应率相对于波长的曲线207，以及锗的响应率相对于波长的曲线209，对于一个实施例，曲线207可以对应于图IA的本征硅层107的响应率， 而曲线209可以对应于图IA的本征锗的响应率。如曲线207所示，硅吸收具有如大约420 纳米一样短的波长。随着波长加长，由于硅在红外波长的较低的吸收，硅的响应率开始下降。的确，随着光的波长在这一点上增加，硅随着光变得更加靠近红外区而变得更加透明。 因此，相对于图1A，更长波长的光照117不在层107中吸收而是传播到层109。然而，对于本发明的实施例，曲线209显示出在层109中锗吸收穿过层107的波长达到大约1600纳米的更长波长的光。根据本发明的启示，在层107中，硅吸收小于大约1000纳米的较短波长的光，同时锗在同一波长范围下具有更大的吸收率，否则由于表面复合将不会产生显著的光电流。
因此，重新参考图1A，根据本发明的启示，利用在吸收区135中本征硅层107和本征锗层109的组合，在雪崩光电检测器的吸收区135中吸收从波长大约420纳米的可见光直到波长达到大约1600纳米的较长的红外波长的光照1 17。在半导体层107和109中光照117的光吸收导致在吸收区135中光载流子或电子空穴对的产生。
由于在雪崩光电检测器中存在偏置和电场，导致在吸收区135中产生的电子空穴对的空穴向层105的方向漂去，而电子向层1 15的方向漂去。随着电子漂移进入倍增区 137，电子在本征硅层113中经受由在层111中的ρ-掺杂硅和在层1 15中的η+参杂硅的相邻层的掺杂水平引起的较高的电场。作为层113中的高电场的结果，根据本发明的启示，从吸收区135漂移进入倍增区137的电子发生碰撞电离。因此，对于本发明的实施例，在吸收区135中由光照117的吸收产生的光电流在倍增区137中被倍增或放大。然后在接触131 和133处收集光载流子。例如，可以在接触131处收集空穴，在接触133处收集电子。根据本发明的实施例，接触131和133可以与电路连接在一起，以处理在接触131和133中的每一个处出现的信号。
如上所述，倍增区137包括在层1 13中的本征硅以及分别在相邻ρ_掺杂和η+掺杂层111和115中的硅。图3是说明在利用倍增区137中的硅代替另一种材料，例如，磷化铟αηΡ)，的雪崩光电检测器的实施例中实现改善灵敏度的图301。特别地，图301示出了对于雪崩光电检测器的各种实施例，接收机灵敏度cffim对光电倍增增益M之间的关系的图301。特别地，曲线333示出了基于磷化铟的雪崩光电检测器的接收机灵敏度与光电倍增增益的关系，而曲线335示出了基于硅的雪崩光电检测器的接收机灵敏度与光电倍增增益的关系。如通过比较图3中的曲线333和335可以看到的，对于本发明的实施例，通过使用基于硅的雪崩光电检测器代替基于磷化铟的雪崩光电检测器，接收机灵敏度大约改善了 4-5dB。由此可见，对于本发明的实施例，在倍增区137中用硅代替磷化铟需要较少的功率就可以精确地检测由雪崩光电检测器接收到的光信号中编码的信号。
因为在材料中的电子和空穴的碰撞电离特性，对于本发明的实施例，利用在倍增区137中的硅改善如图IA和IB所示的雪崩光电检测器103A、103B、…、103N的灵敏度。对于本发明的实施例，因为在倍增区137中使用硅，所以基本上只有一种类型的载流子，特别是电子，能够实现碰撞电离。这可以用空穴与电子的碰撞电离系数比的k因数定量地看出。 硅具有低于，例如，磷化铟，大约一个数量级的k因数。使用硅的结果是，在倍增区137中基本上只有电子而不是空穴被有选择地倍增或放大。因此，对于本发明的实施例，与具有较高 k因数的材料相比，缩小了雪崩光电检测器103A、103B、…、103N中的噪音和不稳定性。示出过量噪声与k因数(k)之间关系的公式为 FA (M)=kM+(l-k) (2- (1/M)) (公式 1) 这里FA是过量噪声因数，M是雪崩光电检测器的增益。因为对于本发明的实施例，通过使用倍增区137的硅基本上只有电子能够实现碰撞电离，所以因为倍增区137中产生超过一种类型的载流子而引起失控的机会显著地减小。为了说明，对于本发明实施例的硅的k因数值小于0.05或大约0.02-0. 05。比较起来， 其它材料，例如，砷化铟镓(InGaAs)的k因数值是大约0. 5-0. 7，而锗的k因数值是大约 0. 7-1，0。因此，本发明实施例使用硅的k因数值小于其它材料。因此，在倍增区137中对于雪崩光电检测器的实施例使用娃，导致其灵敏度相比使用其它材料，例如砷化铟镓或锗等， 的雪崩光电检测器得到改善。图4A是说明用于本发明实施例的具有谐振腔的锗/硅雪崩光电检测器403的剖面图的图。应当理解，根据本发明的启示，雪崩光电检测器403与图IA和IB中示出的雪崩光电检测器103A、103B、…、103N的例子具有相似性，并且可以使用雪崩光电检测器403代替雪崩光电检测器103A、103B、…、103N的任何一个或多个。重新参考图4A所示的例子， 雪崩光电检测器403包括层405、407、409、411、413和415。在图4A所示的例子中，雪崩光电检测器403布置在一绝缘体上硅(SOI)的晶片上，因此，雪崩光电检测器也包括硅衬底层 419和在图4A中示出作为埋置氧化物层425的反射层。对于一个实施例，雪崩光电检测器 403也包括在层407的表面上的层405的对侧上布置在层407的表面和内部的护圈421，如图4A所示。对于…个实施例，层405和护圈421是具有一掺杂浓度的ρ+掺杂硅，该掺杂浓度在与层405和层407连接在一起的接触之间提供改善的电连接。对于一个实施例，紧邻层 405布置护圈421，如图4Α所示，以防止或减少电场延伸到或超过雪崩光电检测器403的边缘。根据本发明的启示，通过帮助隔离或限制在雪崩光电检测器403的结构内的电场，护圈 43 1有助于减小雪崩光电检测器403结构的漏电流。对于一个实施例，层407和409形成雪崩光电检测器403的吸收区435。对于一个实施例，层407是本征硅层，层409是本征锗层。紧邻吸收区435是包括本征硅层413的分开的倍增区437。如描述的例子所示，层413布置在ρ掺杂硅层411与η+掺杂硅层415之间。对于一个实施例，层411和415具有在倍增区437的层413中产生高电场的掺杂浓度。 例如，对于一个实施例，层41 1具有例如Hel7Cm_3的掺杂浓度，层415具有例如kl9cm. 3 的掺杂浓度。另外，对于本发明的实施例，在层405与层415之间也存在较低的电场。操作中，如图4A所示，光照417导向雪崩光电检测器403，并且入射到雪崩光电检测器403的表面上。在图4A所示的例子中，引导光照417穿过自由空间并入射到层405的表面上。根据本发明的启示，在吸收区435中吸收光照417的光，在倍增区437中倍增来自光电流的电子或在吸收区435中产生的电子空穴对，作为碰撞电离的结果。对于一个实施
6例，在埋置的氧化物层425与光照417的光入射的雪崩光电检测器403的表面之间的雪崩光电检测器403中也限定了，谐振腔。结果，光照417的光在埋置的氧化物层425与雪崩光电检测器的表面之间的谐振腔中循环，如图4A所示。图4B是说明用于本发明实施例的具有显示出产生的电子空穴对的谐振腔的雪崩光电检测器403的增加细节的剖面图的另一个图。特别是，图4B示出了入射在雪崩光电检测器403的层405表面上的光照417。当光照穿过吸收区435的层407和409时，光被吸收，产生包括电子427和空穴429的光电流或电子空穴对。在ρ+掺杂层405与η+掺杂层 415之间具有电场，电子427从吸收区43漂移到倍增区437中。在倍增区437的层413中存在高电场，电子427发生碰撞电离，产生其它电子空穴对，并因此导致在吸收区435中产生的光电流的倍增或放大。然后，对于本发明的实施例，由与层405和415连接在一起的接触收集空穴似9和电子427。依照进一步说明地，来自光照417的没有在第一次穿过雪崩光电检测器403中被吸收的光被埋置的氧化物层425反射，在图4Β中说明为S102，并且穿过雪崩光电检测器 403来回循环，如图所示。结果，根据本发明的启示，来自光照417的光在吸收区435和倍增区437内反复循环，由此增加光照417的吸收概率并改善雪崩光电检测器403的性能。说明本发明的实施例的包括理论上描述的上述介绍不是打算穷举或限定于精确的公开形成。虽然在此为了说明性的目的介绍了本发明的特定实施例和例子，但是如本领域的技术人员将认识到的，各种等价的改良和改进是可能的。的确，应当理解，为了说明的目的提供特定波长、尺寸、材料、时间、电压功率范围值等，并且在根据本发明的教导的其它实施例中也可以采用其它值。对于本发明的实施例可以按照上述详细说明进行这些改进。在随后的权利要求书中使用的术语不应该视为将本发明限定于在说明书和权利要求书中公开的特定的实施例。 相反地，范围完全由随后的被视为根据权利要求书阐明的原理建立的权利要求书确定。
权利要求
1.一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备，其特征在于包括紧邻第二类型半导体区的第一类型半导体区的吸收区，所述第一类型半导体吸收在第一波长范围内的光，所述第二类型半导体吸收在第二波长范围内的光以及被限定紧邻所述吸收区并且与所述吸收区分开的倍增区，所述倍增区包括存在电场的本征半导体区，以倍增在所述吸收区中产生的电子；第一类型半导体区包括硅，第二类型半导体区包括锗；具有的反射层包括绝缘体上硅晶片的埋置氧化物层；具有限定在吸收区中的紧邻掺杂接触层的护圈；具有的光聚焦元件包括透镜；每个光电检测器还包括包含吸收区和倍增区的谐振腔。
2.根据权利要求1所述的一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备，其特征在于(1)入射到所述第一类型半导体区上的波长在第一波长范围以外并且在第二波长范围以内的光穿过所述第一类型半导体材料，进入所述第二类型半导体材料并且被吸收；(2)倍增区的本征半导体区布置在第一和第二掺杂区之间。
3.根据权利要求1所述的一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备，其特征在于，还包括紧邻吸收层布置的掺杂接触层。
4.根据权利要求1所述的一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备，其特征在于，所述光电检测器是以阵列方式排列的多个光电检测器中的一个，以共同检测聚焦在阵列上的图像。
全文摘要
本发明公开了一种新式锗/硅雪崩光电检测器设备。根据本发明方案的装置包括包含紧邻第二类型半导体区的第一类型半导体区的吸收区。第一类型半导体吸收在第一波长范围中的光，第二类型半导体吸收在第二波长范围中的光。限定倍增区以紧邻吸收区并与吸收区分开。倍增区包括存在电场的本征半导体区，以倍增在吸收区中产生的电子。
文档编号H01L31/107GK102479866SQ20101055305
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月22日 优先权日2010年11月22日
发明者栾晓健 申请人:大连兆阳软件科技有限公司