用于聚焦场雪崩光电二极管的方法和系统与流程

相关申请的交叉引用/通过引用合并

本申请要求于2017年11月28日递交的美国临时申请no.62/591,303、以及于2018年11月8日递交的美国专利申请no.16/184,169的优先权和权益，这些申请通过引用以其整体合并于此。

本公开的各方面涉及电子组件。更具体地，本公开的某些实施方式涉及用于聚焦场雪崩光电二极管的方法和系统。

背景技术：

用于雪崩光电探测器的常规方法可能是昂贵的、麻烦的、和/或低效的，例如，它们可能是复杂和/或耗时的，和/或可能导致器件不可靠。

通过将这样的系统与如在本申请的其余部分中参照附图所阐述的本公开的一些方面进行比较，对于本领域技术人员而言，常规和传统方法的进一步的限制和缺点将变得明显。

技术实现要素：

提供了用于聚焦场雪崩光电二极管的系统和方法，基本上如结合至少一个附图所示和/或所描述的，如在权利要求中更完整地阐述的。

根据以下描述和附图，将更充分地理解本公开的这些和其他优点、方面和新颖特征，及其所示出的实施例的细节。

附图说明

图1a是根据本公开的示例实施例的具有聚焦场雪崩光电二极管的光子使能集成电路的框图。

图1b是示出根据本公开的示例实施例的示例光子使能集成电路的图。

图1c是示出根据本公开的示例实施例的耦合到光纤线缆的光子使能集成电路的图。

图2示出了根据本公开的示例实施例的图示聚焦场雪崩光电二极管概念的器件截面。

图3示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管概念的替代实施方式。

图4示出了根据本公开的示例实施例的波导雪崩光电二极管以及在聚焦场雪崩光电二极管模拟中使用的掺杂结构的三维视图。

图5示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管中的模拟电势分布。

图6示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管中的电场。

图7示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管的碰撞电离分布。

具体实施方式

如本文所使用的，术语“电路”和“电路系统”是指物理电子组件(即硬件)，以及可以配置硬件、由硬件执行、和/或以其他方式与硬件相关联的任何软件和/或固件(“代码”)。如本文所使用的，例如，特定处理器和存储器在执行第一一行或多行代码时可以包括第一“电路”，并且在执行第二一行或多行代码时可以包括第二“电路”。如本文所使用的，“和/或”表示列表中由“和/或”连接的任何一个或多个项。例如，“x和/或y”表示三元素集{(x)，(y)，(x，y)}中的任何元素。换句话说，“x和/或y”表示“x和y之一或两者”。作为另一示例，“x、y和/或z”表示七元素集{(x)，(y)，(z)，(x，y)，(x，z)，(y，z)，(x，y，z)}中的任何元素。换句话说，“x、y和/或z”表示“x、y和z中的一个或多个”。如本文所使用的，术语“示例性”表示用作非限制性示例、实例或说明。如本文所使用的，术语“如”和“例如”引起一个或多个非限制性示例、实例或说明的列表。如本文所使用的，只要电路或器件包括用于执行功能的必要的硬件和代码(如果需要的话)，则该电路或器件“可操作”以执行该功能，而不管该功能的执行被禁用还是未启用(例如，通过用户可配置设置、出厂调整等)。

图1a是根据本公开的示例实施例的具有聚焦场雪崩光电二极管的光子使能集成电路的框图。参考图1a，示出了光子使能集成电路130上的光电器件，包括光学调制器105a-105d、光电二极管111a-111d、监测器光电二极管113a-113h、以及包括耦合器103a-103k、光学端子115a-115d和光栅耦合器117a-117h的光学器件。还示出了包括放大器107a-107d、模拟和数字控制电路109、以及控制部分112a-112d的电气器件和电路。放大器107a-107d可以包括例如跨阻放大器(tia)、限幅放大器(la)、模数转换器(adc)、和/或数字信号处理器(dsp)。

在示例场景中，光子使能集成电路130包括cmos光子管芯，其具有耦合至ic130的顶表面的激光器组件101。激光器组件101可以包括一个或多个半导体激光器，其内部具有隔离器、透镜和/或旋转器，以用于将一个或多个cw光学信号引导至耦合器103a。光子使能集成电路130可以包括单个芯片，或者可以被集成在多个管芯上，例如，与一个或多个电子管芯以及一个或多个光子管芯相集成。

经由在光子使能集成电路130中制造的光学波导110在光学器件和光电器件之间传送光学信号。可以在光子集成电路中使用单模或多模波导。单模操作实现到光学信号处理和联网元件的直接连接。术语“单模”可以用于为两种极化(横向电(te)极化和横向磁(tm)极化)中的每一个支持单一模式的波导，或用于真正为单一模式并且仅支持一种模式的波导，该模式的极化是te(包括平行于支撑波导的衬底的电场)。所使用的两个典型的波导截面包括条形波导和肋形(rib)波导。条形波导通常包括矩形截面，而肋形波导包括位于波导板的顶部上的肋形部分。当然，其他波导截面类型也可以考虑，并且在本公开的范围内。

在示例场景中，耦合器103a-103c可以包括低损耗y接头功率分裂器，其中，耦合器103a从激光器组件101接收光学信号并将该信号分裂到两个分支，该两个分支将光学信号引导至耦合器103b和103c，耦合器103b和103c再次分裂光学信号，产生四个功率大致相等的光学信号。

光学功率分裂器可以包括至少一个输入波导和至少两个输出波导。图1a所示的耦合器103a-103c示出了1乘2(1-by-2)分裂器，其将一个波导中的光学功率均匀地分裂为两个其他波导。这些y接头分裂器可以在光电系统的多个位置中使用，例如，在马赫曾德尔(mach-zehnder)干涉仪(mzi)调制器中，如光学调制器105a-105d，其中，由于功率组合器可以是反向使用的分裂器，因此需要分裂器和组合器。

在另一示例场景中，可以在并行多通道发射器中使用y接头，其中，可以采用1乘2分裂器的级联来使单个光源馈送多个通道。基于交织器的复用器和解复用器构成第三示例，其中，1乘2分裂器为构造块。

光学调制器105a-105d包括例如马赫曾德尔调制器或环形调制器，并且实现对连续波(cw)激光输入信号的调制。光学调制器105a-105d可以包括高速和低速相位调制部分，并且由控制部分112a-112d控制。光学调制器105a-105d的高速相位调制部分可以用数据信号来调制cw光源信号。光学调制器105a-105d的低速相位调制部分可以补偿缓慢变化的相位因数，例如，由波导之间的失配、波导温度、或波导应力引起的那些相位因数，并且被称为mzi的无源相位或无源偏置。

在示例场景中，高速光学相位调制器可以基于自由载流子色散效应来操作，并且可以证明自由载流子调制区域和光学模式之间的高度重叠。在波导中传播的光学模式的高速相位调制是用于高数据速率光学通信的几种类型的信号编码的构造块。可能需要若干gb/s的速度来维持现代光学链路中所使用的高数据速率，并且可以通过调制跨运载光束的波导放置的pn结的耗尽区来在集成si光子学中实现。为了提高调制效率并使损耗最小化，必须仔细优化光学模式与pn结的耗尽区之间的重叠。

光学调制器105a-105d的输出可以经由波导110光学耦合到光栅耦合器117e-117h。耦合器103d-103k可以包括例如四端口光学耦合器，并且可以用于对由光学调制器105a-105d所生成的光学信号进行采样或分裂，其中采样信号由监测器光电二极管113a-113h测量。定向耦合器103d-103k的未使用的分支可以由光学端子115a-115d终止，以避免不想要的信号的向后反射。

光栅耦合器117a-117h包括光学光栅，其能够将光耦合进和耦合出光子使能集成电路130。光栅耦合器117a-117d可以用于将从光纤接收的光耦合到光子使能集成电路130中，并且光栅耦合器117e-117h可以用于将来自光子使能集成电路130的光耦合到光纤中。光栅耦合器117a-117h可包括单偏振光栅耦合器(spgc)和/或偏振分裂光栅耦合器(psgc)。在使用psgc的情况下，可以使用两输入或输出波导。

光纤可以例如用环氧树脂胶合(epoxy)到cmos芯片上，并且可以以从法线到光子使能集成电路130的表面的一定角度对准，以优化耦合效率。在示例实施例中，光纤可以包括单模光纤(smf)和/或偏振维持光纤(pmf)。

在图1b所示的另一示例实施例中，可以通过引导芯片中的光学耦合器件上的光源(例如，光源接口135和/或光纤接口139)，将光学信号直接传送到不具有光纤的光子使能集成电路130的表面中。这可以通过倒装芯片式(flip-chip)绑定到光子使能集成电路130的另一芯片上的定向激光源和/或光源来实现。

光电二极管111a-111d可以将从光栅耦合器117a-117d接收的光学信号转换为电信号，该电信号被传送到放大器107a-107d以进行处理。在本公开的示例实施例中，光电二极管111a-111d包括例如高速聚焦场波导雪崩光电二极管(wapd)，并且在其吸收层中可以包括锗(ge)以在1.2-1.6μm光学波长范围进行吸收，并且可以集成在cmos绝缘体上硅(soi)晶圆上。

随着光电发射器速度的提高，必须提高光电探测器的速度以提高整体系统性能。在本公开的示例实施例中，描述了聚焦场wapd，用于从多个波导接收光学信号，如关于图2-9进一步示出的。

雪崩光电二极管(apd)由于其高增益和高带宽而对于高速光学通信具有吸引力。特别是独立吸收电荷和倍增(sacm-apd)器件组合了窄带隙材料在电信波长处的高吸收效率与si的低噪声性能，实现了出色的接收器灵敏度。

波导光电探测器表示在需要高速和高效率的应用中很有用，因为它们打破了表面照亮式光电探测器的效率/速度折衷。这是由于光垂直于光载流子流传播并被吸收，从而允许独立优化吸收效率和传输时间。

波导si上ge(ge-on-si)sacm-apd组合了波导配置的高速/高效率性能与硅的出色的增益特性，从而在高数据速率下实现了高灵敏度。

模拟和数字控制电路109可以控制放大器107a-107d的操作中的增益水平或其他参数，放大器107a-107d然后可以传送电信号离开光子使能集成电路130。此外，控制系统109可以根据环境条件和链路需求来调整跨apd的偏置电压，以调节增益/带宽。

控制部分112a-112d包括能够调制从分裂器103a-103c接收的cw激光信号的电子电路。例如，光学调制器105a-105d可能需要高速电信号以调制马赫曾德尔干涉仪(mzi)的各个分支中的折射率。在示例实施例中，控制部分112a-112d可以包括汲(sink)和/或源驱动器电子器件，其可以允许利用单个激光器来实现双向链接。

在操作中，光子使能集成电路130可操作来发送和/或接收并处理光学信号。光学信号可以由光栅耦合器117a-117d从光纤接收，并由光电探测器111a-111d转换为电信号。电信号可以由例如放大器107a-107d中的跨阻放大器放大，并随后被传送到光子使能集成电路130中的其他电子电路(未示出)。

集成光子平台允许将光学收发器的全部功能集成在单个芯片上。光学收发器芯片包含在发射器(tx)和接收器(rx)侧创建和处理光学信号/电信号的光电电路，以及将光学信号耦合到光纤和从光纤耦合光学信号的光学接口。信号处理功能可以包括调制光学载流子、检测光学信号、分离或组合数据流、以及复用或解复用具有不同波长的载流子上的数据。

apd的操作基于施加大的场来生成热载流子。热载流子通过碰撞电离产生新的电子-空穴对。这样生成的载流子进而被场加速，并在雪崩过程中触发更多的碰撞电离事件。然而，当雪崩发生在半导体-电介质界面附近时，热载流子可能被注入到电介质中，它们在电介质中被捕获并累积固定电荷。随时间的电荷累积会改变器件的有源区内的电场分布，导致性能退化。例如在现代mosfet的漏极附近观察到这种现象，通常称为热载流子注入(hci)，并且代表这些器件的一种常见退化因素。

为了最小化hci，可以利用针对波导apd的阴极和电荷层的特殊配置，如本公开中所描述的。示例器件和结果在图2-9中示出。

图1b是示出根据本公开的示例实施例的示例光子使能集成电路的图。参考图1b，示出了光子使能集成电路130，包括电子器件/电路131、光学和光电器件133、光源接口135、芯片前表面137、光纤接口139、cmos保护环141、以及表面照亮式监测器光电二极管143。

光源接口135和光纤接口139包括例如光栅耦合器，该光栅耦合器使得能够经由cmos芯片表面137耦合光信号，而不是像传统边缘发射/接收器件那样经由芯片边缘。经由芯片表面137耦合光信号使得能够使用cmos保护环141，该cmos保护环141机械地保护芯片并防止污染物经由芯片边缘进入。在另一示例场景中，光子器件可以集成在光子管芯上，而电子器件集成在一个或多个电子管芯上，该一个或多个电子管芯可以接合到光子管芯。

例如，电子器件/电路131包括诸如关于图1a描述的放大器、adc、dsp107a-107d、以及模拟和数字控制电路109之类的电路。光学和光电器件133包括例如以下器件：耦合器103a-103k、光学端子115a-115d、光栅耦合器117a-117h、光学调制器105a-105d、wapd111a-111d、以及监测器光电二极管113a-113i。

图1c是示出根据本公开的示例实施例的耦合到光纤线缆的光子使能集成电路的图。参考图1c，示出了光子使能集成电路130，包括芯片表面137和cmos保护环141。还示出了光纤到芯片耦合器145、光纤线缆149和光源组件147。

光子使能集成电路130包括可以如关于图1b所描述的电子器件/电路131、光学和光电器件133、光源接口135、芯片表面137、以及cmos保护环141。

在示例实施例中，光纤线缆可以例如经由环氧树脂附接到cmos芯片表面137。光纤芯片耦合器145使得光纤线缆149能够物理耦合到光子使能集成电路130。

图2示出了根据本公开的示例实施例的图示聚焦场雪崩光电二极管概念的器件截面。参考图2，示出了聚焦场apd200，其包括高掺杂阴极201、高掺杂阳极209、吸收层205(典型地为锗)、以及雪崩倍增区域203。在该示例中，阴极201被掺杂n+，而阳极被掺杂p+。apd200可以包括波导光电二极管，其中可以接收进入/离开图2所示器件的平面的输入光学信号，而光生成载流子被横向加速。

氧化物界面211a和211b表示用于apd200的半导体层与掩埋氧化物210b和顶部钝化氧化物层210a之间的边界。可以通过把掺杂(通常通过离子注入)配置成例如在氧化物界面之间的中途达到峰值，来生成聚焦场。因此，apd的雪崩倍增区域中的所得电场聚焦在中心，并使热载流子远离顶部和底部氧化物界面。

apd200还包括本征或轻微掺杂的区域213，其可以是soi衬底的硅层中未被掺杂的或可以具有轻微掺杂的区域。apd200还包括电荷层207，该电荷层207是掺杂p型的吸收层205之间和下方的区域，其中，光生成载流子被朝着雪崩倍增区域203加速。

如图2的示例apd所示，阴极注入物可以对准soi的中间，即氧化物界面211a和211b之间的中途。类似方法可以用于与吸收层205相邻的电荷层207，该层嵌在ge吸收区域205的左侧。n掺杂层215和电荷层207中的掺杂因此包括垂直注入分布，如图2的底部处的掺杂与深度的插图所示，该图示出了浓度峰值在顶表面和底表面之间的中间处，这使得热载流子远离顶部和底部si/氧化物界面。阴极和电荷层的典型掺杂浓度可以分别配置在10¹⁹cm^-3和10¹⁷cm^-3的范围内。

在操作中，在apd200中从进入或离开所示截面的平面的方向接收的光学信号在吸收层205中被吸收，从而生成光电子，这些光电子从ge吸收层205发射并在p型电荷层207附近加速，即从电荷层207的顶部和底部区域行进。高电场将光电子朝着n掺杂层215中的阴极注入物的尖端加速。阴极侧的窄n型层215和ge吸收层205的阴极侧的p型电荷层207之间的区域包括雪崩倍增区域203，高能电子在该区域生成更多的电子，从而提供光生成载流子的倍增，以及增加的光生成电流。在该结构中，因此通过使雪崩倍增区域203中的高度高能载流子“聚焦”在远离边缘(包括氧化物界面211a和211b)的区域中心，来减少热载流子注入。

图3示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管概念的替代实施方式。参考图3，示出了聚焦场apd300，其包括高掺杂阳极309、高掺杂阴极301、吸收层305(典型地为锗)、以及雪崩倍增区域303。在该示例中，阴极301被掺杂n+，而阳极309被掺杂p+。apd300可以包括波导光电二极管，其中可以接收进入或离开图3所示器件的截面平面的输入光学信号，而光生成载流子被横向加速。

氧化物界面311a和311b表示用于apd300的半导体层与掩埋氧化物310b和顶部钝化氧化物层310a之间的边界。可以通过把掺杂(通常通过离子注入)配置成例如在氧化物界面之间的中途和/或在界面附近的顶部和底部处达到峰值，来生成聚焦场。因此，apd的雪崩倍增区域中的所得电场聚焦在中心，并使热载流子远离顶部和底部氧化物界面。

在图3所示的替代配置中，电荷层307注入被分为两个注入，非常浅的第一注入，以及以si/box界面(即氧化物界面311b)为目标的第二注入。这种配置为光生成电子创建通过器件的垂直中心(即氧化物界面之间的中途)的优选路径，因此使它们在整个路径上都远离氧化物界面311a和311b。阴极侧注入仍然是以soi的中心为目标的单个注入，而电荷层由两个注入构成：一个注入非常浅，并且第二注入以si/box界面为目标，如图3中apd300下方的掺杂分布所示。

在该配置中，从ge吸收层305注入的光生成电子进入soi膜中心的雪崩倍增区域303中。因此，硅中的全电流路径保持远离两个半导体/电介质界面，即氧化物界面311a和311b。阴极和电荷层的典型掺杂密度可以分别配置在例如10¹⁹cm^-3和10¹⁷cm^-3的范围内。

在操作中，在apd300中从进入或离开所示截面的平面的方向接收的光学信号在吸收层305中被吸收，从而生成光电子，这些光电子从ge吸收层305发射并加速穿过p型电荷层307的中心，该中心处的高电场使光电子加速进入n掺杂层315中的阴极注入物。阴极侧的窄n型层315和ge吸收层305的阴极侧的p型电荷层307之间的区域包括雪崩倍增区域303，高能电子在该区域生成更多的电子，从而提供光生成载流子的倍增，以及因而增加的光生成电流。在该结构中，因此通过使雪崩倍增区域303中的高度高能载流子“聚焦”在远离边缘(包括氧化物界面311a和311b)的区域中心，来减少热载流子注入。

图4示出了根据本公开的示例实施例的波导雪崩光电二极管的三维视图以及在聚焦场雪崩光电二极管模拟中使用的掺杂结构。参考图4，示出了聚焦场apd的掺杂分布，其是图2的结构的镜像结构，其中左侧为p+阳极，并且右侧为n+阴极。此外，围绕本征倍增区域的不同掺杂分布由n区域中居中的“n”和p区域中的顶部和底部处的“p”指示，如关于图2所描述的。apd的波导结构还由从二极管区域延伸出的线以及入射光学信号的方向表示，如图所示。

图5示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管中的模拟电势分布。参考图5，反向偏置下的p-i-p-i-n二极管结构的电势由从较高电势n+侧到本征区域的阴影变化示出，其中电势逐渐过渡到p+侧的电势。

图6示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管中的电场。参考图6，示出了整个apd的电场，其中最高电场位于apd中与器件的倍增区域一致的i区域中。由于ge和si之间的异质界面生成的场，窄的较高场区域也围绕ge层，这些区域由于高掺杂水平而成为隧道异质结，并且在那里没有发生雪崩倍增。

图7示出了根据本公开的示例实施例的聚焦场雪崩光电二极管的碰撞电离分布。如图7所示，可以看出碰撞电离概率在soi中心的倍增区域(远离氧化物界面311a和311b)达到峰值，从而减少了热载流子注入。

在本公开的示例实施例中，描述了一种用于聚焦场雪崩光电二极管的方法和系统。该系统可以包括雪崩光电二极管，该雪崩光电二极管包括吸收层、阳极、阴极、n掺杂层、p掺杂层、以及位于n掺杂层和p掺杂层之间的倍增区域。氧化物界面位于阳极、阴极、n掺杂层、p掺杂层、以及倍增区域的顶表面和底表面处。雪崩光电二极管可操作以在吸收层中吸收接收到的光学信号以生成载流子，并使用n掺杂层和p掺杂层中的掺杂分布将载流子引导至阴极的中心，该掺杂分布在垂直于n掺杂层和p掺杂层的顶表面和底表面的方向上变化。

n掺杂层和p掺杂层中的掺杂分布可以在氧化物界面之间的中途具有峰值浓度。n掺杂层中的掺杂分布可以在氧化物界面之间的中途具有峰值浓度，而p掺杂层中的掺杂分布可以在氧化物界面之间的中途具有最小浓度。雪崩光电二极管可以包括波导光电二极管。

吸收层可以包括锗，并且n掺杂层和p掺杂层可以包括硅。p掺杂层可以在倍增区域和吸收层之间，并且还可以在吸收层下方。本征或轻微掺杂层也可以在吸收层下方。雪崩光电二极管可以通过在n掺杂层的顶表面和底表面之间居中的碰撞电离来倍增载流子。雪崩光电二极管可以位于互补金属氧化物半导体(cmos)管芯中。

尽管已经参考某些实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出各种改变并且可以用等同物代替。此外，在不脱离本发明范围的情况下，可以做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明旨在不限于所公开的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。