具有低击穿电压的雪崩光电二极管的制作方法
【专利摘要】具有低击穿电压特性的Si/GeSACM雪崩光电二极管（APD）包括具有特定厚度和掺杂浓度的各种层的倍增区域和吸收区域。光波导可以引导红外和/或光信号或能量进入吸收区域。产生的光生载流子被扫入i-Si层和/或倍增区域用于雪崩倍增。APD具有充分小于12V的击穿偏置电压和大于10GHz的操作带宽，并且因此适合用于消费者电子装置、高速通信网络等中。
【专利说明】具有低击穿电压的雪崩光电二极管
[0001]政府资助
本发明是在由DARPA授予的合同第HROO11-06-3-0009号下用美国政府支持来做出的。美国政府享有本发明中的某些权利。
【技术领域】
[0002]实施例通常涉及光电二极管，并且更特别地涉及具有低击穿电压特性的硅/锗(Si/Ge)单独的吸收、电荷和倍增(SACM)的雪崩光电二极管(APD)。
【背景技术】
[0003]雪崩光电二极管(APD)主要用于想要高灵敏度的应用中。这样的应用包括长距离光纤电信、激光测距仪以及单光子电平检测和成像、以及其它应用。SiGe AH)提供针对近红外光信号的有前途的应用。在Si/Ge单独的吸收、电荷和倍增(SACM) APD中，锗(Ge)提供在近红外波长处的高响应性，而硅(Si)用于放大具有低噪声的生成的光载流子。
[0004]此外，基于SiGe的APD的制作的CMOS技术的适用性确保相较于其II1-V APD对应物的降低的价格。因为AH)传统上瞄准高端市场(主要由于更高的成本约束)，所以SiGeAPD是低端市场的有前途的候选者(它们在近红外频谱中需要高灵敏度)。
[0005]然而，仅仅降低的价格不足以实现APD的广泛应用。最大的障碍是APD的操作所需要的高偏置，在现有技术中它操作远远超出在现代化电子设备(例如，服务器、台式计算机和其它消费者电子设备)内发现的12V的最大可用偏置。
[0006]因此，会想要降低Si/Ge APD的操作偏置或击穿偏置，以便它们能够成功地并入到消费者电子设备、高速通信网络等。
【专利附图】
【附图说明】
[0007]在附图中，本发明的实施例是以示例的方式而不是以限制的方式图示，并且附图中类似的参考标号表示类似的元件。
[0008]图1图示根据本发明的实施例的雪崩光电二极管(APD)的截面图。
[0009]图2图示图1的APD的理想内部电场分布的曲线。
[0010]图3图示图1的APD的仿真的暗电流和光电流的曲线。
[0011]图4图示图1的APD的测量的暗电流和光电流的曲线。
[0012]图5图示根据本发明的实施例的两个样本APD的所测量带宽的曲线。
【具体实施方式】
[0013] 现在将详细参考本发明的实施例，在附图中图示本发明的实施例的示例。在下文的详细描述中，将阐述大量的具体细节来允许本发明的透彻理解。然而，应该理解的是具有本领域普通技术的人员可实践本发明而没有这些具体细节。在其它实例中，没有详细描述熟知方法、过程、部件、电路和网络以便不对实施例的各方面造成不必要的模糊。[0014]将理解，虽然本文可使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些术语不应该限制这些元件。这些术语只用于区分一个元件和另一个。例如，第一层可被称为第二层，并且类似地，第二层可被称为第一层，这没有背离本发明的范围。
[0015]本文用于本发明的描述中的术语只是为了描述特定实施例的目的并且不旨在限制本发明。如本发明的描述和所附的权利要求中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文以其它方式清楚指示。还将理解，如本文所使用的，术语“和/或”指代并且包括关联的列出的项目中的一个或多个的任何和所有可能的组合。还将理解，当用于本说明书中时，术语“包括”和/或“包含”规定表述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组合的存在或增加。
[0016]图1图示根据本发明的实施例的雪崩光电二极管(APD)IOO的截面图。APD 100可以是Si/Ge单独的吸收、电荷和倍增(SACM)的低电压雪崩光电二极管(LVAPD)。为了一致性而不是限制的目的，本文讨论的雪崩光电二极管将简称为APD 100。将理解如图示的APD100的各种层和部件不一定按比例绘制，而是，以这样的方式图示它们来清楚地示出每个部件。
[0017]APD 100可以包括衬底105。η型掺杂的硅(n+Si)层110可以放置在衬底105上。本征硅(1-Si)层115可以放置在至少一部分n+ Si层110上。p型掺杂的硅(p Si)层120可以放置在1-Si层115的顶部。η.Si层110、1-Si层115和p Si层120可以形成载流子倍增区域122。
[0018]在一些实施例中，P Si层120的厚度T12q是20纳米(nm)。在一些实施例中，p Si层120的厚度T12°大约是20nm，或换句话说，近似20nm。在一些实施例中，P Si层120的掺杂浓度在2X IO18CnT3到 3X IO18CnT3之间。在一些实施例中，P Si层120的掺杂浓度大约在2 X IO18CnT3到3 X IO18CnT3之间，或换句话说，近似在2 X IO1W到3 X IO18CnT3之间。
[0019]在一些实施例中，1-Si层115的厚度T115在0.07到0.13微米(μ m)之间。在一些实施例中，1-Si层115的厚度T115大约在0.07到0.13 μ m之间，或换句话说，近似在0.07到
0.13 μ m之间。在一些实施例中，1-Si层115的厚度T115是lOOnm。在一些实施例中，i_Si层115的厚度T115大约是lOOnm，或换句话说，近似lOOnm。在一些实施例中，i_Si层115的掺杂浓度小于5X 1015cm_3。在一些实施例中，1-Si层115的掺杂浓度小于大约5 X 1015cm_3，或换句话说，小于近似5X 1015cm_3。
[0020]本征锗(1-Ge)层125可以放置在至少一部分P Si层120上。P型掺杂的硅(p+ Ge)层130可以放置在1-Ge层125上。p+ Ge层130和i_Ge层125可以形成吸收区域132。钝化层145可以放置在P+ Ge层130、p Si层120和η.Si层110中的每个层的至少一部分上。第一金属接触件135可以放置在P+ Ge层130上并且第二金属接触件140可以放置在η.Si层110上。
[0021 ] 光波导155可以引导红外、近红外和/或光信号或能量150进入吸收区域132。例如，可使用通过波导155进入吸收区域132的光信号的倏逝耦合或对接和倏逝混合的耦合，特别是对于高速操作。在一些实施例中，首先在1-Ge层125和/或吸收区域132中收集进来的红外和/或光信号或能量，并且产生的光生载流子被扫入1-Si层115和/或倍增区域122用于雪崩倍增。备选地或除此以外，可以从相对于APD 100的层的顶部160或底部165将红外和/或光信号或能量引入APD 100。
[0022]不同的掺杂层控制APD的内部电场以使APD 100正确地运作。除近似IOOnm厚的1-Si层115以外，P Si电荷层120还可以是高度掺杂的并且做得特别薄，如以上详细阐述的，来抑制低于12V的APD操作偏置。p+ Ge层130、i_Ge层125、n+ Si层110和衬底105中的每个的厚度并不重要，它们也不需要特定的具体层厚度来操作本文所公开的发明方面。对于实现如本文所描述的低偏置电压和高性能而言，P Si层120和1-Si层115中的每个的厚度和掺杂浓度比较重要。
[0023]APD 100与其击穿偏置电压关联。优选地，击穿偏置是8.5V或其左右。在一些实施例中，击穿偏置小于12V或其左右。APD 100也与其操作带宽关联。优选地，操作带宽是IOGHz或其左右。在一些实施例中，操作带宽大于8GHz。在一些实施例中，操作带宽大于IOGHz0以下进一步详细讨论APD 100的仿真、测量和性能特性。
[0024]图2图示图1的APD的理想内部电场分布的曲线。APD的性能方面(例如，带宽和灵敏度)取决于其内部电场分布图或分布。Ge吸收区域132内的电场确保光生载流子快速地漂移出去来实现高的带宽，但是被保持充分低来避免Ge材料内的雪崩倍增或隧穿。此外，在Si倍增区域122内限制的高电场提供雪崩增益来达到高灵敏度。电场分布图是对于每个层的掺杂水平敏感的并且取决于每个层的掺杂水平。例如，电场分布图对于P Si层120和1-Si层115的掺杂浓度是敏感的并且取决于该掺杂浓度，如以上阐述的。
[0025]图3图示图1的APD的仿真的暗电流和光电流的曲线。图4图示图1的APD的测量的暗电流和光电流的曲线。现在参考图3和图4。
[0026]在每个相应曲 线中示出暗电流(例如，图3的305和图4的405)和光电流(例如，图3的310和图4的410)。光电流对应于在照明下的APD电流。仿真结果可以被评估并且用于确定优选的或以其它方式最佳的层厚度和掺杂浓度。测量的值确认APD 100的操作特性和性能。
[0027]图5图示根据本发明的实施例的两个样本APD的测量带宽的曲线。测量的击穿偏置(或换句话说操作偏置)大约是8.5V，它充分低于消费者电子设备的目标12V。在图5中可以观察到APD 100的在1550nm激光下照明的光响应。带宽测量示出APD 100能够在大于IOGHz的带宽处操作，而在低于12V的电压处操作。本文公开的APD的实施例可以并入到应用(例如，长距离光纤电信、激光测距仪和单光子电平检测和成像以及其它应用)。此外，SiGe APD提供针对近红外光信号的有前途的应用。
[0028]如本文所公开的，APD 100的发明方面使Si/Ge APD技术能在消费者电子设备内可用，它是Aro传统上很难进入(由于操作电压和成本约束)的市场。本文所公开的发明的实施例可在需要低电压操作的各种高速和高灵敏度光接收器硅光子学系统中使用。
[0029]虽然已经描述了特定实施例，但是将意识到本发明的原理不限于那些实施例。本文描述的发明概念可在高速通信系统中使用，例如，包括lOGbit/s或更高的通信网络。本文描述的雪崩光电二极管可以包括在通用计算机、平板电脑、智能电话、超级本、服务器等内。本文公开的实施例提供具有低击穿偏置特性的紧凑、高性能和高频响应APD。
[0030]如以下权利要求所阐述的，可做出其它变化和修改而不背离本发明的原理。
【权利要求】
1.一种雪崩光电二极管(APD)，包括: 衬底； η型掺杂的硅(η+ Si)层，放置在所述衬底上； 本征硅(1-Si )层，放置在所述η+ Si层的一部分上； P型掺杂的硅(P Si)层，放置在所述1-Si层上； 本征锗(1-Ge)层，放置在所述P Si层的一部分上；以及 P型掺杂的硅(P+ Ge)层，放置在所述1-Ge层上， 其中所述1-Si层的厚度在大约0.07到0.13微米(μ m)之间。
2.如权利要求1所述的APD，其中所述PSi层的厚度大约是20纳米(nm)。
3.如权利要求1所述的APD，其中所述1-Si层的厚度大约是lOOnm。
4.如权利要求1所述的APD，其中所述1-Si层的掺杂浓度小于5X1015cm_3。
5.如权利要求1所述的APD，其中所述PSi层的掺杂浓度在大约2 X IO18CnT3到3 X IO18Cm 3 之间。
6.如权利要求1所 述的APD,还包括: 钝化层，放置在所述P+ Ge层、所述P Si层和所述η.Si层的部分上； 第一金属接触件，放置在所述P+ Ge层上；以及 第二金属接触件，放置在所述η+ Si层上。
7.如权利要求1所述的APD，具有与其关联的击穿偏置，其中所述击穿偏置小于12伏特(V)。
8.如权利要求7所述的APD，其中所述击穿偏置大约是8.5V。
9.如权利要求1所述的APD，具有与其关联的操作带宽，其中所述操作带宽大约是IOGHz。
10.如权利要求1所述的APD,还包括: 大约8.5V的击穿偏置；以及 大于8GHz的操作带宽。
11.如权利要求10所述的APD，其中所述操作带宽大于IOGHz。
12.如权利要求1所述的APD，其中所述P+Ge层和所述i_Ge层形成吸收区域。
13.如权利要求12所述的APD，还包括波导，配置为引导光能进入所述吸收区域。
14.如权利要求1所述的APD，其中所述PSi层、所述1-Si层和所述η.Si层形成载流子倍增区域。
15.一种电子装置，包括: 具有预定义的操作电压的电路，所述电路包括雪崩光电二极管(APD)，所述Aro包括: 衬底； η型掺杂的硅(η+ Si)层，放置在所述衬底上； 本征硅(1-Si )层，放置在所述n+ Si层的一部分上； P型掺杂的硅(P Si)层，放置在所述1-Si层上； 本征锗(1-Ge)层，放置在所述P Si层的一部分上；以及 P型掺杂的硅(P+ Ge)层，放置在所述1-Ge层上， 其中:所述1-Si层的厚度在大约0.07到0.13微米(μ m)之间；以及 所述APD的击穿偏置低于所述电路的所述操作电压。
16.如权利要求15所述的电子装置，其中所述电路的所述预定义的操作电压是12V。
17.如权利要求15所述的电子装置，其中所述APD的所述击穿偏置大约是8.5V。
18.如权利要求15所述的电子装置，其中所述PSi层的厚度大约是20纳米(nm)。
19.如权利要求1所述的电子装置，其中所述1-Si层的厚度大约是lOOnm。
20.如权利要求1所述的电子装置，其中所述1-Si层的掺杂浓度小于5X1015cm_3。
21.如权利要求1所述的电子装置，其中所述PSi层的掺杂浓度在大约2X IO18CnT3到3 X 1O18Cm 3 之间。
22.—种雪崩光电二极管(APD)，包括: 本征硅(1-Si)层，具有在大约0.07到0.13微米(μπι)之间的厚度和小于大约5 X 1O15CnT3的掺杂浓度；以及 P型掺杂的娃(P Si)层,具有大约20nm的厚度和在大约2X IO18CnT3到3X IO18CnT3之间的掺杂浓度。
23.如权利要求22所述的APD，其中所述PSi层放置在所述i_Si层上。
24.如权利要求22所述的APD，其中所述1-Si层具有大约100纳米(nm)的厚度。
【文档编号】H01L31/107GK104025315SQ201180076057
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2011年12月29日 优先权日:2011年12月29日
【发明者】Y.康, H-D.D.刘 申请人:英特尔公司