专利名称：半平面雪崩光电二极管的制作方法
技术领域：
本发明的实施例总体上涉及光学器件。并且，更具体但并非仅涉及光电探测器。
背景技术：
随着互联网数据通信增长率逐渐赶超语音通信，推动了对光纤通信的需求，因此对于快速且高效的基于光学的技术的需求也在不断增长。在密
集波分复用(DWDM)系统中同一光纤上多个光通道的传输，给出了一种简单的方法来使用由光纤提供的前所未有的容量(信号带宽)。该系统中常用的光学元件包括波分复用(WDM)发射器和接收器，诸如衍射光栅、薄膜滤波器、光纤布拉格(Bmgg)光栅、阵列波导光栅的光学滤波器，光分插复用器，激光器，光开关以及光电探测器。光电二极管可以用作光电探测器，以通过将入射光转换为电信号来探测光。电路可以耦接到该光电探测器以接收表示入射光的电信号。随后，该电路可根据所需的应用对该电信号进行处理。雪崩光电探测器提供内部电增益并因此具有适应于非常微弱光信号探测的高敏感度。
以下参照附图描述本发明非限制性且非穷尽的实施例，其中除非另作说明，相同的附图标记指示各个附图中相同部分。
图1所示为在根据本发明教导的系统中半平面雪崩光电探测器的截面图的实例，该半平面雪崩光电探测器具有设置在平面区之上的台面结构，其中该台面结构具有吸收区且该平面区具有倍增区。
图2所示为在根据本发明教导的系统中半平面雪崩光电探测器的斜视截面图的实例，该半平面雪崩光电探测器具有设置在平面区之上的台面结构，其中该台面结构具有吸收区且该平面区具有倍增区。
具体实施例方式
半平面雪崩光电探测器(APD)的方法和装置已经公开。为了提供对于本发明全面的理解，在以下描述中将给出多种具体细节。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的，并非必需利用该具体细节来实施本发明。在其他实例中，为了避免模糊本发明，不再详细描述公知的材料和方法。
在本说明书通篇提及的"一个实施例"或者"实施例"，意味着与该实施例有关的所述具体特征、结构或者特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书中多处出现的短语"在一个实施例中"或者"在实施例中"并不必然全部涉及该相同实施例。并且，该具体特征、结构或特性可以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。另外应该理解，在此提供的附图对于本领域普通技术人员来说仅用于解释目的并且附图并不必然按照比例绘制。并且应该理解，在本公开中描述的具体实例的掺杂浓度、厚度和材料等均用于解释目的，并且根据本发明的教导，也可利用其他掺杂浓度、厚度和材料等。
图1为总体上示出根据本发明实例的包括半平面雪崩光电探测器(APD) 101的系统102的截面图。在所示实例中，光或者光束123从光源139导向APD 101。取决于具体的应用，光束123可产生自或反射自光源139。在一个实例中，光束123可以可选择地直接从光源139导向或者聚焦到APD101，或者可通过光学元件137导向APD101。
可以理解， 一个或者多个APD101可以用于多种应用和配置中。例如，取决于具体的应用，可以理解APD 101可以单独用于例如探测电信通讯中编码于更低功率光束123中的信号。在另一实例中，APD 101可以是设置为阵列或栅格以感测图像等的多个APD的其中之一。例如，类似于互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器阵列等的设置为栅格的阵列APD可用于感测图像。
在一个实例中，光学元件137可以包括透镜或者其它类型的折射或衍射光学元件，从而利用包括光束123的照射，将图像导向或者聚焦到APD101阵列上。光束123可包括可见光、红外光和/或跨可见到红外光谱等的
6波长组合。
在图示的实例中，APD 101在功能上是将光信号转化为电信号的光电
二极管与将所探测到的信号乘以增益的放大器的组合。如图所示，APD 101包括与平面区域105紧邻但与其分离的台面结构103，该台面结构103包括第一类型半导体材料111，且该平面区105包括第二类型半导体材料113。如在该实例中所示的，台面结构103包括吸收区，而平面区105包括分离的倍增区109。在所图示的实例中，如图所示，第一类型半导体材料包括本征锗区125，以及第二类型半导体材料包括邻近n掺杂硅区117的p掺杂硅区115。
在该实例中，外部偏压V+135可以通过耦接至平面区105的触点121和耦接至台面结构103的触点122施加到APD 101。在一个实例中，触点122在第一类型半导体材料的P掺杂区127处耦接至台面结构103，并且触点121在第二类型半导体材料的n+掺杂区119处耦接至平面区105，这有助于改善触点121和122与根据本发明教导的APD 101的欧姆接触。
在图1所示的买例中，可以注意到n+掺杂区119所示为限制或集中于台面结构103的下方。如将在图2所示的另一实例中示出的，可以理解n十掺杂区也可是整个平面区105中的均质层。例如，在这样的实例中，根据本发明的教导，n+掺杂区119可以是限定于平面区105中的高度n+掺杂的硅衬底层。
回到图1所示的实例，可以注意到第一类型半导体材料所示为锗。可以理解在另一实例中，根据本发明的教导，第一类型半导体材料可以包括铟砷化镓(InGaAs)或者另一合适类型材料。
在图1所示的实例中，APD 101按照电场强度包括两个区域 一个处于台面结构103的吸收区107中，其中利用外部偏压V+135施加到APD 101产生低电场。另一电场区域处于平面区105的倍增区109中，其中根据本发明的教导，在p掺杂硅区115和n掺杂硅区117之间的pn结界面处产生高电场。
在工作中，如果光子能量等于或者高于低电场吸收区107内的半导体材料(例如锗或铟砷化镓)的带隙能量(band gap energy),那么光束123的入射光子将在台面结构103的吸收区107中首先产生光生自由电荷载流子或者电子空穴对。这些光生电荷载流子在图1所示为空穴131和电子133。
根据本发明的教导，在将外部偏压V+ 135施加到APD 101从而在台面结构103中产生低电场的情况下，空穴131加速接近耦接至台面结构103的触点122，同时电子133加速从台面结构103进入平面区105以接近触点121。可以注意到根据本发明的教导，通过使台面结构103将低电场限定在吸收区107中，可以改善APD 101的速度性能。
随着电子133与空穴131由于吸收区107中的低电场而注入由于p和n掺杂硅区115与117之间的pn结界面而产生的倍增区109中的高电场，它们彼此分离。当电子133获得足够的动能并与倍增区109中半导体材料的其它电子碰撞时，发生碰撞电离，导致至少一小部分电子133变成部分光电流。根据本发明的教导，连锁的这种碰撞电离导致载流子倍增。雪崩倍增持续发生，直到电子133运动离开APD 101的活动区到达触点121。
所以如图所示，利用包括在台面结构103中的APD 101的低电场吸收区107部分以及包括在平面区105中的高电场倍增区109，实现了根据本发明教导的"半平面"APD 101形成了。换言之，利用用于APD 101的硅部分的平面区105的平面结构与用于APD 101的锗部分的台面结构103的结合，实现了半平面APDIOI。
在所示实例中，利用APD 101的硅部分的平面结构与锗或者铟砷化镓部分的台面结构的结合，根据本发明的教导可获得具有平面和台面结构两者的有益效果。例如根据本发明的教导，通过对于硅部分形成平面区105，APD101可具有较低的暗电流、增强的可靠性以及均匀的雪崩增益。另外，通过对于锗或铟砷化镓部分形成台面结构103，由于根据本发明的教导低电场限制在台面结构103中，所以APD 101具有较高速度和APD阵列中任意相邻像素之间较低的串扰。
另外，根据本发明教导的APD 101，其中诸如硅的一种材料包括在倍增区109中而诸如锗或铟砷化镓的另一材料包括在吸收区107中，容许能够针对每个具体区域和/或材料进行最优化的不同处理和设计技术。
例如，在一个实例中，可以使用在平面区105的硅顶部上的选择性生长锗来外延生长锗。随后可对台面结构103进行蚀刻，并且该蚀刻停止于平面区105的硅部分。通过蚀刻台面结构103并在硅部分处停止蚀刻，提
8供了根据本发明教导的包括吸收区107的台面结构103，同时保持具有倍增 区109的平面区105包括硅。
因此，在图1所示的具体实例中，示出了硅上锗(germanium on silicon) 或者锗-硅(Ge-Si)的APD101，其中锗的台面结构103包括吸收区107， 其具有低电场；而硅存在于倍增剂(agent)中，其中高电场集中在中心p 掺杂区115之下。在一个实例中，由于中心p掺杂区115的弯曲，高电场 沿着中心p掺杂区115的边缘到达最高点。
图1还示出了可包括在APD 101中的可选的保护环结构129，在该实 例中保护环结构129所示为具有设置在平面区105的硅部分中的p掺杂硅 区的浮置保护环。图2为根据本发明教导的另一示出图1中所示的半平面 APD 101的斜视截面的实例的视图，其中该半平面APD 101具有设置在平 面区105之上的台面结构103，其中该台面结构103具有吸收区107且该平 面区105具有倍增区109。在图2所示的实例中，可注意到如先前提及的， n+掺杂区119是在整个平面区105内的均匀的高掺杂硅层。如在图2中阐 释的实例所示的，根据本发明的教导，保护环结构129是设置在平面区105 中并围绕台面结构103的包括p掺杂硅的浮置保护环。因此，在该实例中， 根据本发明的教导，保护环结构129处于或紧邻APD 101的吸收区107与 倍增区109之间的界面。在所示实例中，保护环结构129所提供的结构有 助于减少或防止器件外围处倍增区109中的提前击穿(premature breakdown)。在一个实例中，可以使用离子注入、扩散或其他适合的技术 来形成该保护环结构129。
可以理解，具有如图所示的"夹置在中间(sandwiched)"的保护环结 构在APD 101的半平面结构中是可实现的而在仅有台面的器件中不可实 现。另外可以注意到，根据本发明的教导，通过使倍增区109处于平面区 105中，消除了对于侧壁钝化的敏感性，由于倍增区109中的高电场，这种 敏感性将造成不期望的漏电流。
本发明所阐释的实施例的以上描述，包括摘要中所述的内容，并非意 图是完全详尽或者对于在此公开的精准形式的限制。在此描述的本发明的 具体实施例以及实例仅用于阐释目的，如相关领域的技术人员将认识的， 各种等效的细化和修改均是可行的。并且可以理解，所提供的任何具体波长、尺寸、材料、时间、电压、功率范围值等仅用于解释目的并且根据本 发明的教导，其他值也可都可以用于其它实施例。
根据以上详细描述，可以对本发明的实施例作出这些修改。在以下权 利要求中使用的术语不应理解为将本发明限定为在说明书及权利要求中公 开的具休实施例。相反，发明的范围完全由以下权利要求确定，权利要求 应根据已成立的权利要求解释原则来解释。
权利要求
1、一种装置，包括限定在第一类型半导体中的台面结构，所述第一类型半导体材料包括被光耦合以接收并吸收光束的吸收区；以及限定在第二类型半导体材料中、与所述台面结构紧邻但与其分离的平面区，所述平面区包括倍增区，该倍增区包括邻接n掺杂区的p掺杂区以在所述倍增区中产生高电场，从而倍增响应于对所述台面结构中接收到的所述光束的吸收而光生的电荷载流子。
2、 根据权利要求l所述的装置，其中所述第一类型半导体包括锗并且 所述第二类型半导体材料包括硅。
3、 根据权利要求1所述的装置，其中所述第一类型半导体包括铟砷化 镓并且所述第二类型半导体材料包括硅。
4、 根据权利要求1所述的装置，其中所述平面区还包括设置在所述第 二类型半导体材料的所述平面区中并围绕所述台面结构的保护环结构。
5、 根据权利要求4所述的装置，其中所述保护环结构是包含p掺杂的 第二类型半导体材料的浮置保护环结构。
6、 根据权利要求4所述的装置，其中所述保护环结构是位于所述吸收 区与所述倍增区之间界面处的浮置保护环结构。
7、 根据权利要求1所述的装置，还包括分别耦接至所述台面结构和所 述平面区的触点，用于接收外部偏压以在所述台面结构中产生低电场。
8、 根据权利要求7所述的装置，还包括在所述台面结构中与所述触点 耦接的p掺杂区以及在所述平面区中与所述触点耦接的第二 n掺杂区。
9、 一种方法，包括将光束导入包含第一类型半导体材料的台面结构； 吸收至少一部分所述光束，以在所述台面结构中光生电子空穴对； 使从所述台面结构离开的电子加速进入平面区，该平面区设置为紧邻 所述台面结构并包含第二类型半导体材料；以及在所述平面区中利用高电场倍增在所述台面结构中光生的所述电子。
10、 根据权利要求9所述的方法，还包括将外部偏压施加至与所述台 面结构和所述平面区耦接的触点，以在所述台面结构中产生电场。
11、 根据权利要求9所述的方法，其中倍增在所述台面结构中光生的 所述电子包括在所述倍增区中利用所述高电场碰撞电离来自所述台面结构 的所述电子。
12、 根据权利要求9所述的方法，其中所述第一类型半导体包含锗并 且所述第二类型半导体材料包含硅。
13、 根据权利要求9所述的方法，其中所述第一类型半导体包含铟砷 化镓并且所述第二类型半导体材料包含硅。
14、 根据权利要求9所述的方法，其中使从所述台面结构离开的所述 电子加速进入所述平面区包括利用电场使来自所述台面结构的所述电子加 速进入所述平面区。
15、 一种系统，包括一个或多个雪崩光电探测器，所述一个或多个雪崩光电探测器中的每个包括限定在第一类型半导体中的台面结构，所述第一类型半导体材料 包括光耦合地接收并吸收光束的吸收区；以及限定在第二类型半导体材料中、与所述台面结构紧邻但与其分离的平面区，所述平面区包括倍增区，该倍增区包括邻接n掺杂区的p惨杂区以在所述平面区中产生高电场，从而倍增响应于对所述台面结构中接收到的所述光束的吸收而光生的电荷载流子；以及光学元件，用于将光束引导至所述一个或多个雪崩光电探测器上。
16、 根据权利要求15所述的系统，其中所述光学元件包括透镜。
17、 根据权利要求15所述的系统，其中所述第一类型半导体包含锗并 且所述第二类型半导体材料包含硅。
18、 根据权利要求15所述的系统，其中所述第一类型半导体包含铟砷 化镓并且所述第二类型半导体材料包含硅。
19、 根据权利要求15所述的系统，其中所述一个或多个雪崩光电探测 器的所述平面区还包括设置在所述第二类型半导体材料的所述平面区中并 围绕所述台面结构的保护环结构。
20、 根据权利要求15所述的系统，其中所述一个或多个雪崩光电探测 器还包括分别耦接至所述台面结构和所述平面区的触点，用于接收外部偏 压以在所述台面结构中产生低电场。
21、 根据权利要求20所述的系统，还包括在所述台面结构中与所述触 点耦接的p惨杂区以及在所述平面区中与所述触点耦接的第二 n掺杂区。
全文摘要
一种雪崩光电探测器被公开。根据本发明各个方面的装置包括限定在第一类型半导体中的台面结构。第一类型半导体材料包括光耦合地接收并吸收光束的吸收区。该装置还包括限定在第二类型半导体材料中与所述台面结构紧邻并与其分离的平面区。平面区包括倍增区，该倍增区包括邻接n掺杂区的p掺杂区以在所述倍增区中产生高电场。该高电场用于倍增响应台面结构中接收的光束的吸收而光生的电荷载流子。
文档编号H01L31/10GK101490854SQ200780027234
公开日2009年7月22日 申请日期2007年7月12日 优先权日2006年7月20日
发明者A·波沙尔, G·萨里德, Y·康 申请人:英特尔公司