无金属接触的近红外锗光电探测器的制作方法

本申请主张享有于2014年3月10日提交的共同未决的申请号为61/950816的美国临时专利申请的优先权和权益，并且将该美国临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。关于联邦政府资助的研究或开发的声明本发明是按照美国空军科学研究局(AFOSR)授予的拨款FA9550-13-1-0027和FA9550-10-1-0439在政府的支持下做出本发明。政府享有本发明的一定权利。
技术领域：
本发明一般地涉及光电探测器，特别地涉及锗光电探测器。
背景技术：
：因特网上的通信量持续增长，这很大程度上是由于来自移动设备、流媒体服务、云计算和大数据分析的需求的不断增加。硅光子在提供高速、低能耗和低成本的下一代数据通信系统方面具有发展前景。最近十年已经见证了硅光子器件的显著改进和成熟。支持40Gb/s或更高数据速率的亚MHz线宽高质量混合集成激光器、调制器和光电探测器都已经得到证实。参见T.Creazzo,E.Marchena,S.B.Krasulick,P.K.-L.Yu,D.VanOrden,J.Y.Spann,C.C.Blivin,L.He,H.Cai,J.M.Dallesasse,R.J.Stone和A.Mizrahi,“IntegratedtunableCMOSlaser(集成可调谐CMOS激光器)”Opt.Express21(23),28048-28053(2013)；S.Yang,Y.Zhang,D.W.Grund,G.A.Ejzak,Y.Liu,A.Novack,D.Prather,A.E.-J.Lim,G.-Q.Lo,T.Baehr-Jones和M.Hochberg,“Asingleadiabaticmicroring-basedlaserin220nmsilicon-on-insulator(220nm绝缘体上硅片中的绝热的基于微环的单激光器)”Opt.Express22(1),1172-1180(2014)；D.J.Thomson,F.Y.Gardes,J.-M.Fedeli,S.Zlatanovic,Y.Hu,B.P.-P.Kuo,E.Myslivets,N.Alic,S.Radic,G.Z.Mashanovich和G.T.Reed,“50-Gb/ssiliconopticalmodulator(50-Gb/s硅基光学调制器)”IEEEPhoton.Technol.Lett.24(4),234-236(2012)；T.Baba,S.Akiyama,M.Imai,N.Hirayama,H.Takahashi,Y.Noguchi,T.Horikawa和T.Usuki,“50-Gb/sring-resonator-basedsiliconmodulator(50-Gb/s基于环形谐振器的硅基光学调制器)”Opt.Express21(10),11869-11876(2013)；C.T.DeRose,D.C.Trotter,W.A.Zortman,A.L.Starbuck,M.Fisher,M.R.Watts和P.S.Davids,“Ultracompact45GHzCMOScompatibleGermaniumwaveguidephotodiodewithlowdarkcurrent(具有低的暗电流的超紧凑45GHzCMOS兼容锗波导光电二极管)”Opt.Express19(25),24897-24904(2011)；及L.Vivien,A.Polzer,D.Marris-Morini,J.Osmond,J.M.Hartmann,P.Crozat,E.Cassan,C.Kopp,H.Zimmermann和J.M.Fedeli,“Zero-bias40Gbit/sgermaniumwaveguidephotodetectoronsilicon(硅上的零偏差的40Gbit/s的锗波导光电探测器)”Opt.Express20(2),1096-1101(2012)。已经报道了与电子器件单片集成的收发器和交换结构。参见B.Analui,D.Guckenberger,D.Kucharski和A.Narasimha,“Afullyintegrated20-Gb/soptoelectronictransceiverimplementedinastandard0.13-umCMOSSOItechnology(以标准0.13-umCMOSSOI技术实施的完全集成的20-Gb/s光电收发器)”IEEEJ.Solid-StateCircuits41(12),2945-2955(2006)；J.F.Buckwalter,X.Zheng,G.Li,K.Raj和A.V.Krishnamoorthy,“Amonolithic25-Gb/stransceiverwithphotonicringmodulatorsandGedetectorsina130-nmCMOSSOIprocess(具有130-nmCMOSSOI工艺的光子环调制器和Ge探测器的单体25-Gb/s收发器)”IEEEJ.Solid-StateCircuits47(6),1309-1322(2012)；及B.G.Lee,A.V.Rylyakov,W.M.J.Green,S.Assefa,C.W.Baks,R.Rimolo-Donadio,D.M.Kuchta,M.H.Khater,T.Barwicz,C.Reinholm,E.Kiewra,S.M.Shank,C.L.Schow和Y.A.Vlasov,“Monolithicsiliconintegrationofscaledphotonicswitchfabrics,CMOSlogic,anddevicedrivercircuits(扩展光子交换结构、CMOS逻辑电路和器件驱动电路的单片硅集成)”J.Lightw.Technol.32(4),743-751(2014)。也证实了112Gb/s的相干长距离通信。参见P.Dong,X.Liu,S.Chandrasekhar,L.L.Buhl,R.Aroca,Y.Baeyens和Y.-K.Chen,“Monolithicsiliconphotonicintegratedcircuitsforcompact100+Gb/scoherentopticalreceiversandtransmitters(用于紧凑100+Gb/s相干光接收器和发射器的单片硅光子集成电路)”IEEEJ.Sel.TopicsQuantumElectron.20(4),6100108(2014)。代工服务为科研实验室和创业公司打开了先进制造节点的渠道，这将会进一步加速硅上光子集成的研发。例如参见M.Hochberg和T.Baehr-Jones,“Towardsfablesssiliconphotonics(向着无工厂硅光子)”Nat.Photonics4,492-494(2010)；及A.E.-J.Lim,J.Song,Q.Fang,C.Li,X.Tu,N.Duan,K.K.Chen,R.P.-C.Tern和T.-Y.Liow,“Reviewofsiliconphotonicsfoundryefforts(硅光子晶圆代工成果综述)”IEEEJ.Sel.TopicsQuantumElectron.20(4),8300112(2011)。在基于硅光子的数据链路的设计过程中出现的一个瓶颈是链路功率预算(linkpowerbudget)约束。通常的链路功率预算为约9dB。例如，IEEE802.340GBASE-LR4协议具有分配给通道插入损耗的6.7dB和分配给惩罚的2.3dB。由于玻璃纤维与亚微米硅波导的大的模式失配，片上和片外耦合损耗通常相当高。该损耗在成熟的商业工艺中能够超过1dB。参见A.Mekis,S.Gloeckner,G.Masini,A.Narasimha,T.Pinguet,S.Sahni和P.DeDobbelaere,“Agrating-coupler-enabledCMOSphotonicsplatform(光栅耦合器使能的CMOS光电平台)”IEEEJ.Sel.TopicsQuantumElectron.17(3),597-608(2011)。片上器件往往也有损耗。例如，现有技术状况下的硅调制器插入损耗大于5dB。在一些情况下，可以通过设计优化(例如，y形结、波导交叉)和通过光栅耦合器来显著降低器件插入损耗。参见Y.Zhang,S.Yang,A.E.-J.Lim,G.-Q.Lo,C.Galland,T.Baehr-Jones和M.Hochberg,“AcompactandlowlossY-junctionforsubmicronsiliconwaveguide(用于亚微米硅波导的紧凑且低耗的Y形结)”Opt.Express21(1),1310-1316(2013)；Y.Ma,Y.Zhang,S.Yang,A.Novack,R.Ding,A.E.-J.Lim,G.-Q.Lo,T.Baehr-Jones和M.Hochberg,“UltralowlosssinglelayersubmicronsiliconwaveguidecrossingforSOIopticalinterconnect(用于SOI光互连的超低损耗单层亚微米硅波导交叉)”Opt.Express21(24),29374-29382(2013)；及W.S.Zaoui,A.Kunze,W.Vogel,M.Berroth,J.Butschke,F.Letzkus和J.Burghartz,“Bridgingthegapbetweenopticalfibersandsiliconphotonicintegratedcircuits(桥接光学纤维与硅光子基成电路之间的间隙)”Opt.Express22(2),1277-1286(2014)。然而，在其它情况下，插入损耗与器件效率是正交的，例如，较高的掺杂带来较高的调制效率但是同时导致高插入损耗。高响应度光电探测器将会补偿通道插入损耗，并且帮助实现需要的链路功率预算。锗能够在硅上外延生长，并且是其CMOS兼容性的优选吸收材料。尽管金属-半导体-金属(MSM)和雪崩光电探测器(APD)可以通过光电导增益和雪崩倍增来提供高响应度，但是得到的益处是以大暗电流和(或)高偏置电压为代价的。波导耦合pin探测器由于其高带宽、良好响应度和小暗电流而引起人们广泛关注。图1A和图1B图示了具有横向和纵向pin结构造的硅上锗(Ge-on-Si)探测器。已经报道了引人关注的硅上锗探测器的性能，其具有通常约0.8A/W的响应度和高到足够用于40Gb/s操作的带宽。例如参见T.Yin,R.Cohen,M.M.Morse,G.Sarid,Y.Chetrit,D.Rubin和M.J.Paniccia,“31GHzGen-i-pwaveguidephotodetectorsonsilicon-on-insulatorsubstrate(绝缘体上硅基板上的31GHzGen-i-p波导光电探测器)”Opt.Express15(21),13965-13971(2007)；及A.Novack,M.Gould,Y.Yang,Z.Xuan,M.Streshinsky,Y.Liu,G.Capellini,A.E.-J.Lim,G.-Q.Lo,T.Baehr-Jones和M.Hochberg,“Germaniumphotodetectorwith60GHzbandwidthusinginductivegainpeaking(使用感应增益峰值的具有60GHz带宽的锗光电探测器)”Opt.Express21(23),28387-28393(2013)以及前述文章中的一些。如图1A和图1B所示，两种类型的器件都需要高掺杂锗形成结以及锗经由柱塞(plug)与金属的直接接触。尽管使用锗展示了第一晶体管，但是硅很快取而代之并且变成压倒性的主导基板材料。由于对锗及硅锗晶体管感兴趣，人们近来已经关注锗处理。参见S.Brotzmann和H.Bracht,“Intrinsicandextrinsicdiffusionofphosphorus,arsenic,andantimonyingermanium(磷、砷和锑在锗中的本征和非本征扩散)”J.Appl.Phys.103,033508(2008)；A.Claverie,S.Koffel,N.Cherkashin,G.Benassayag和P.Scheiblin,“Amorphization,recrystallizationandendofrangedefectsingermanium(锗中的无定形化、再结晶和缺陷范围)”ThinSolidFilms518(9),2307-2313(2010)；及H.Bracht,S.Schneider和R.Kube,“Diffusionanddopingissuesingermanium(锗中的扩散和掺杂问题)”Microelectron.Eng.88(4),452-457(2011)。与硅相比，锗不太好理解和表征。虽然已经优化硅调制器的效率(参见Y.Liu,S.Dunham,T.Baehr-Jones,A.E.-J.Lim,G.-Q.Lo和M.Hochberg,“Ultra-responsivephaseshiftersfordepletionmodesiliconmodulators(用于耗尽型硅调制器的超灵敏移相器)”J.LightwaveTechnol.31(23),3787-3793(2013))，但是对于锗探测器而言，仍未见到类似的TCAD模型。有时候将多晶硅沉积在锗的上方以减小接触电阻和泄漏电流。例如参见，C.-K.Tseng,W.-T.Chen,K.-H.Chen,H.-D.Liu,Y.Kang,N.Na和M.-C.M.Lee,“Aself-assembledmicrobondedgermanium/siliconheterojunctionphotodiodefor25Gb/shigh-speedopticalinterconnects(用于25Gb/s高速光互连的自组装微接合锗/硅异质结光电二极管)”Sci.Rep.3,3225(2013)；及K.Takeda,T.Hiraki,T.Tsuchizawa,H.Nishi,R.Kou,H.Fukuda,T.Yamamoto,Y.Ishikawa,K.Wada和K.Yamada,“ContributionsofFranz–KeldyshandavalancheeffectstoresponsivityofagermaniumwaveguidephotodiodeintheL-band(Franz–Keldysh效应和雪崩效应对L波段的锗波导光电二极管的响应率的贡献)”IEEEJ.Sel.TopicsQuantumElectron.20(4),3800507(2014)。因而需要针对使用锗制成的光电探测器的改进设计及结构。技术实现要素：根据一个方面，本发明的特征在于具有浮动锗体的pin锗光电探测器。该探测器也被称为无金属接触的光电探测器。锗光电探测器包括：第一掺杂半导体接触；第二掺杂半导体接触；与所述第一掺杂半导体接触电接触且与所述第二掺杂半导体接触电接触的本征锗体，所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触被布置在所述本征锗体的同一侧，所述本征锗体缺少与金属接触的直接机械接触；所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触分别与各自的金属端子电通信，所述金属端子被构造为将所述锗光电探测器中通过吸收电磁辐射而产生的电信号提供至所述锗光电探测器外部的电路。在一个实施例中，所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触中的至少一者是掺杂硅接触。在一个实施例中，所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触中的至少一者掺杂有p型掺杂物。在一个实施例中，所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触中的至少一者掺杂有n型掺杂物。在一个实施例中，所述锗光电探测器还包括第三掺杂半导体接触。在一个实施例中，其中，所述本征锗体具有三角形横截面。在一个实施例中，所述本征锗体终止于晶面(crystallographicface)(111)中。在又一个实施例中，所述本征锗体是平坦化的。在另一个实施例中，结晶小面(crystallographicfacet)以相对于所述硅晶圆的所述表面大致15度与75度之间的角度定向。在另一个实施例中，测量的量子效率大于大致65％。在又一个实施例中，测量的量子效率大于大致75％。在又一个实施例中，测量的量子效率大于大致85％。在又一个实施例中，测量的量子效率大于大致95％。在又一个实施例中，所述电磁辐射在自由空间中的波长范围是大致1280-1600nm。在另一个实施例中，所述光电探测器包括pin结。根据本发明另一个方面，本发明涉及一种使用锗光电探测器的电磁辐射探测方法。所述方法包括：提供锗光电探测器，所述锗光电探测器包括第一掺杂半导体接触；第二掺杂半导体接触；和与所述第一掺杂半导体接触电接触且与所述第二掺杂半导体接触电接触的本征锗体，所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触被布置在所述本征锗体的同一侧，所述本征锗体缺少与金属接触的直接机械接触；所述第一掺杂半导体接触和所述第二掺杂半导体接触分别与各自的金属端子电通信，所述金属端子被构造为将所述锗光电探测器中通过吸收电磁辐射而产生的电信号提供至所述锗光电探测器外部的电路；通过所述锗光电探测器接收电磁辐射；产生代表所述电磁辐射的强度或代表在所述电磁辐射中被编码的数据的电信号；且进行将所述电信号显示给用户和以非易失性的形式将所述电信号记录于机器可读存储器中的至少一者。在一个实施例中，所述锗光电探测器支持单光模操作。在另一个实施例中，所述电磁辐射在自由空间中的波长范围是大致1280-1600nm。在又一个实施例中，所述锗光电探测器支持导通模式(conductionmode)操作。在又一个实施例中，所述锗光电探测器支持雪崩光电二极管模式下的操作。在又一个方面，本发明提出一种锗光电探测器制造方法。所述方法包括：通过光刻和蚀刻来图案化具有表面的硅晶圆以在所述表面上形成波导；通过注入和退火来掺杂所述硅以将p型接触和n型接触形成在位于所述硅晶圆的所述表面的层中；进行锗外延以提供与所述n型接触和所述p型接触接触的不具有故意添加的掺杂物的本征锗体，所述锗体具有被相对于掺杂半导体晶圆的所述表面以一定角度定向的结晶小面界定的形状；且应用金属化以形成接触端子。在一个实施例中，所述光电探测器对位于自由空间中大致1280-1600nm的波长范围内的电磁辐射是敏感的。在另一个实施例中，所述光电探测器包括pin结。在又一个实施例中，结晶小面以相对于所述硅晶圆的所述表面大致15度与75度之间的角度定向。根据下面的说明以及随附的权利要求，本发明的前述的以及其它的目的、方面、特征和优势将变得更加显然。附图说明参照下述的附图以及随附的权利要求，能够更好地理解本发明的目的和特征。附图不一定是按照比例的，而是通常将重点放在图示本发明的原理。在附图中，在各图中类似的符号被用来表示类似的部件。图1A是现有技术中的横向pin硅上锗光电探测器的横截面示意图。图1B是现有技术中的纵向pin硅上锗光电探测器的横截面示意图。图2A是根据本发明原理的浮动锗探测器的实施例的横截面示意图。图2B是制造的浮动锗探测器的另一个实施例中的本征锗体以及周围结构的扫描电子显微照片。图3A是图2A的浮动锗探测器在-4V反向偏置情况下的光模分布图。图3B是图2A的浮动锗探测器在-4V反向偏置情况下的电场图。图4是浮动锗探测器和参考光栅耦合器(GC)的透射光谱图。图5A是黑暗情况下的器件IV曲线图。图5B是激光器发光情况下的器件IV曲线图。图5C是作为反向偏置电压的函数的器件响应度的图形。图6是器件S21在不同反向偏置电压情况下相对于频率的图形。图7A至图7D示出了当晶圆被制成体现本发明各方面的器件时晶圆的横截面。具体实施方式我们说明一种新颖的浮动锗光电探测器，其通过消除掺杂和接触锗的需要来显著地简化硅上锗探测器的制造工序。不刻意掺杂外延的Ge。这保护锗免于损伤从而保持完整，并且保持了外延后的晶体质量。经测量，所述器件对于1550nm波长的响应度是1.24A/W，对应的量子效率是99.2％。据我们所知，这是关于pin锗探测器所报道的最高响应度。在-4V反向偏置情况下，暗电流仅为40nA。测量的3-dB带宽是30GHz且电容是8fF。探测器对于自由空间波长为1280-1600nm的光辐射起作用。在组合Ge/硅探测器几何结构内，探测器几何结构使光辐射能够主要被耦合成单模，从而使吸收的几率最大化。人们认为，由于Ge的高折射率，能够防止光模泄漏到硅接触。材料折射率Si3.48Ge4.01所述探测器几何结构有益于避免将金属或导电合金(例如Al或TaN)与Ge直接接触的要求，从而简化制造工序。人们认为，因为金属不与光模紧密接近，所以探测器性能得到改善。探测器几何结构有益于避免使各种掺杂物注入Ge的要求，因此通过杂质吸收的降低来改善光学性能。Ge的掺杂的消除也简化制造且降低成本。器件设计图2A示出了浮动锗光电探测器的示意图。如图2A所示，使用硅晶圆，例如绝缘体上硅(SOI)晶圆。掩埋氧化物(BOX)层存在于用作柄(handle)的硅晶圆上。BOX层使其上制造有器件的硅与硅柄隔绝。在图2A中，将本征锗体图示为具有三角形横截面。在实际的器件制造中，已经使用化学气相沉积(CVD)实现了图2A中的锗的三角形形状。为了制造，已经使用了PE(PlasmaEnhanced：等离子体增强)CVD和UHV(Ultra-HighVacuum：超高真空)CVD。一般而言，本征半导体(也被称为未掺杂半导体、i型半导体)是没有任何显著掺杂物物质存在的纯半导体。因此，电荷载流子的数量由材料本身的性质而不是杂质的量来决定。特别地，尽管据了解很有可能存在一定量的掺杂物或杂质，但是通常的理解是，本征半导体(例如本征锗)具有很少或不具有故意添加的掺杂物。图2A所示的器件具有与锗三角形体的相对两端电通信的n型和p型硅接触。n型和p型硅接触分别与金属端子电通信，所述金属端子用来将光电探测器中产生的电信号提供至光电探测器外部的电路。图2B是制造的浮动锗探测器的另一个实施例中的本征锗体以及周围结构的扫描电子显微照片。图2B示出了本征锗体的替代形状，其中，本征锗体具有由一起提供非平面多面体形状的面的数量限定的横截面。形状不是平行六面体横截面，也不是三角形横截面，也不是图1B所示的截棱柱横截面。在与用来产生图2A所示的三角形形状的沉积条件不同的沉积条件下，使用PECVD或UHVCVD制造图2B所示的形状。在一些实施例中，可以例如通过使锗体经受机械或化学机械研磨(CMP)处理，来使之平坦化。在一些实施例中，平坦化的锗体可以具有与在平坦化处理中产生的平坦表面电通信的第三电接触。期望的是，在一些实施例中，锗光电探测器器件能够作为导电器件而操作，其中，锗的导电性质在光照下发生变化。期望的是，在一些实施例中，锗光电探测器能够作为雪崩光电探测器(APD)而操作。期望的是，光电倍增能够发生在锗中或硅中。预期的是，在一些实施例中，能够设置外部加热器(例如电阻加热器)以使探测器保持在高温从而提高性能。与图lA和图1B的常规探测器构造相比，能够保护锗免于由离子注入损伤和金属化造成的缺陷。注意，经由柱塞来形成金属是复杂的工艺，其除了注入和退火步骤以外，还需要打开接触孔、形成硅化物、沉积扩散阻挡区以及最后的金属沉积、图案化和平坦化。J.D.Plummer,M.Deal,P.D.Griffin,“SiliconVLSItechnology:fundamentals,practice,andmodeling(硅VLSI技术：基础、实践和建模)”(PrenticeHall,2000)说明了该工艺。浮动锗探测器构造显著简化了硅光子工艺流程，并且降低了硅基光子集成电路(PIC)的建造成本。因为它恰好共用了硅调制器的相同掺杂水平和金属化程序，所以除了在用于构建调制器的工艺中的步骤以外，锗外延是建造该器件的唯一额外步骤。我们现在讨论图2A所示的锗的三角形形状。晶体锗的生长速率在不同的方向上是不同的，这类似于硅的各向异性湿蚀刻并且由于非常慢的蚀刻速率而自然地停止在(111)表面。锗几何结构也取决于氧化物硬掩模的沟槽角度，并且可以通过Wulff结构模型来投影。参见J.Liu,R.Camacho-Aguilera,J.T.Bessette,X.Sun,X.Wang,Y.Cai,L.C.Kimerling和J.Michel,“Ge-on-Sioptoelectronics(硅上锗光电子学)”ThinSolidFilms520(8),3354-3360(2012)。在一个实施例中，在用于构建我们的器件的工艺中，外延的锗经测量相对于硅表面具有25°的侧壁角度。在锗的基底宽度为1.5μm的情况下，三角形高度为0.35μm。尽管简化了制造，但是浮动锗探测器期望具有比图lA和图1B所示的常规锗探测器更高的响应度，这是因为消除了由从金属电极引入的金属原子或离子而造成的吸收和由高接触掺杂而造成的自由载流子吸收。由于保持了外延后的晶体质量，暗电流也期望更小。为了实现高响应度，光子应当被约束在本征锗吸收体内，并且需要使散射最小化。图3A绘制了图2A的锗硅混合波导结构的基模。约束因子为88％的锗内严格模约束确保有效吸收且使探测器长度最小化，且因此使电容最小化。长度为3μm、宽度为0.22μm到1.5μm的锗锥体用来绝热地将光从输入硅波导转换至混合波导。缺少形成于锗的pin结，所述器件依赖于硅结的边缘场来扫出光生载流子。据报道，边缘场和相应电容是厚度为220nm的硅pn结的不可忽略的一部分，并且在调制器设计中需要考虑。参见H.J.Wesley,D.Sacher和J.K.S.Poon,“Analyticalmodelandfringing-fieldparasiticsofcarrier-depletionSilicon-on-Insulatoropticalmodulationdiodes(载流子耗尽型绝缘体上硅光学调制二极管的分析模型和边缘场)”IEEEPhoton.J.5(1),2200211(2013)。因为与通常的CMOS介电质(例如氮化硅或二氧化硅)相比，锗具有高得多的介电常数，所以对于相同的硅结，边缘场和电容部分将会更高。选择图3B中的结本征区域宽度来匹配图3A中的模场直径。我们数值求解泊松方程，并且绘制图3B中的电场分布。大部分锗中的电场大于104V/cm，这对于使载流子以饱和速度漂移而言足够高了。参见C.Jacoboni,F.Nava,C.Canali和G.Ottaviani,“Electrondriftvelocityanddiffusivityingermanium(锗中的电子漂移速度和扩散系数)”Phys.Rev.B24(2),1014-1026(1981)。器件制造我们制造了器件的原型。使用创建常规pin探测器的标准工艺制造具有0.5μm厚度锗片的浮动锗探测器，并且由于锗的各向异性外延生长，不增加额外的工艺分支。起始基板是8英寸绝缘体上硅(SOI)晶圆，其具有220nm、10欧姆/厘米的p型顶部硅膜和位于高电阻率硅柄顶部上的2μm掩埋氧化物。干蚀刻后，使用248nm紫外线光刻将波导和光栅耦合器图案化。然后，将硼离子和磷离子注入硅，并且通过快速热退火来激活所述离子。接着，进行锗外延。两层铝金属互连完成了制造工艺。图7A至图7D示出了当晶圆被制成体现本发明方面的器件时该晶圆的横截面。图7A图示了通过光刻和蚀刻来图案化硅以形成波导的步骤。图7B图示了涉及通过注入和退火来掺杂硅以形成p型接触和n型接触的步骤。图7C图示了进行锗外延的步骤。图7D图示了应用金属化以设置接触端子的步骤。根据需要，在该结构的各层中可以限定过孔(via)以使接触端子能够从中延伸以使得在完成的结构的自由表面能够使用接触端子。一些步骤需要按照特定顺序来进行，而一些步骤可以按照替代的顺序(或按照任何次序)来进行。例如，能够以任意次序来完成硼和磷离子注入。器件特性光谱设计与图2A中的器件横截面相对应的两组特性结构。在两种情况下，光栅耦合器用作光纤阵列的光I/O。在A组中，透过锗吸收体的透射光被引导至另一个光栅耦合器，该光栅耦合器用来表征锗效率并用来确定器件长度。在B组中，贯通端口连接至具有系在一起的两个分支的y形结，该y形结有效地起到宽带反射镜的作用。在A组中，首先将光纤阵列与光栅耦合器对齐，并且使用可调谐激光器(Agilent81600B)来测量器件。图4绘制了具有不同锗长度的两个器件以及参考光栅耦合器的光谱。通过光栅耦合器光谱响应来确定抛物线形状。功率电平的降低表示因锗片而增加的额外损耗。在光谱上观察不到干涉条纹，这确认了：在整个结构中，光保持在基模中。单模操作防止了因散射或发散而导致的光子的损耗或浪费，而且因为光被严格约束在锗吸收体内，单模操作提高了每单位长度的吸收率。将光向上耦合至锗中和向下耦合回到硅中的能力也有益于构造锗吸收调制器。图4所示的两个探测器的测量得到的长度分别是包括锥体长度6μm在内的11μm和16μm。清楚地图示出波长越短吸收越强，这是因为越短的波长越远离锗的频段边缘。在1550nm处，16μm长的锗造成26dB的衰减。在y形结环镜用来反射回透射光子以用于再吸收的情况下，如果电极有效地收集所有光生载流子，那么在B组器件中16μm长的探测器将能够实现几乎100％的量子效率。IV扫描除了光学性质以外，器件性能还取决于图3B所示的pin结。如图5A和图5B所示，我们既在黑暗中和在激光器发光的情况下对器件进行探测并且使用半导体器件分析仪(AgilentB1500A)表征IV曲线。在图5A中，-4V时的暗电流仅为40nA且多达-8V的反向偏置时的暗电流保持在90nA以下，与以相同工艺制造的常规纵向pin探测器的暗电流相比，这是较小的数量级。我们把这样的改善归因于较小的结面积和外延后保持的锗晶体质量。当打开激光器且将其设置在1550nm时，照射在探测器输入端口上的光是对光栅耦合器插入损耗进行规范化后的0.48mW。光电流随着反向偏置电压增加而增加，并且在约-2V时饱和。在-2V以下，边缘场不足以强到在光生载流子重新结合前扫出它们。在-2V以上，所有光生载流子在它们的寿命期间内被扫出并且被电极收集。因此，光电流饱和且相对平坦地保持直至超过-6V，此时，由于雪崩增益的开始，光电流尾部稍微向上。图5C绘制了从照明情况下的IV曲线中提取的作为偏置电压的函数的响应度的图形。-4V时，响应度是1.24A/W，对应的量子效率是99.2％，与以相同工艺制造的常规探测器中实现的0.75A/W相比，这是显著改善。在1550nm波长情况下，探测器可以提供的理论最大响应度由下式给出：其中，e是电子电荷、h是普朗克常数且v是光学频率。据我们所知，这是针对硅上锗pin光电探测器报道的在没有光电导或雪崩增益情况下的最高响应度或量子效率。该器件的高响应度或量子效率归因于多种因素的组合，这些因素包括：保持的晶体质量；不产生光电流的金属和自由载流子吸收的消除；通过单模引导而实现的散射和发散的最小化；和使用结边缘场来实现的光生载流子的有效收集。带宽和电容在DC时，取得极好的性能。我们接下来讨论器件带宽和电容。通过使用VNA(AgilentE8361C)和LiNO3调制器(ThorlabLN05S)测量s参数来表征光电流滚降。图6绘制了不同偏置电压情况下的S21轨迹。-2V时，即使边缘场强到足以扫出光生载流子，载流子也以相对低的速度行进，这将器件带宽限制于仅在5GHz以上。当-4V和-6V时，载流子接近它们的饱和速度且器件带宽增加到30GHz以上，这足够支持40Gb/s的数据速率。一般而言，光电探测器带宽由载流子渡越时间或器件RC时间常数来确定。饱和速度取值为6.5×106cm/s且模场直径取值为0.85μm，估算渡越时间是这接近于测量的带宽。通过使用较窄的锗片可以改善渡越时间限制的带宽，考虑到锗的强吸收，如图4所示，所述较窄的锗片不会降低探测器效率。确定器件电容是8fF，这是从s参数的相位信息中计算出的，与现有技术相比是有利的。低电容有利于器件用于对于硅芯片的光互连。假设50Ω负载阻抗，那么导致串联电阻的主要因素是将锗下硅与金属过孔连接的90nm的p+和n+掺杂硅片。处于此中等掺杂水平的薄层电阻对于p+和n+硅片而言分别是3750Ω/□(欧姆/平方)和1490Ω/□。它们是1.5μm宽和16μm长，从而导致约490Ω串联电阻。因此，RC时间限制的带宽由下式给出：因为光被严格约束在锗内，所以在这些连接片上使用更高掺杂是安全的，不会引入因自由载流子吸收而造成的显著光损耗。p++和n++掺杂片的薄层电阻是137Ω/□和60Ω/□(与p+和n+片的薄层电阻相比，这是较小的数量级)，并且将完全去除对器件操作带宽的RC时间限制。定义除非本文中另有明确叙述，电子信号或电磁信号(或它们的等同物)的任何提及应理解为指的是非易失性电子信号或非易失性电磁信号。除非本文中另有明确叙述，“记录”或“记录有”的任何提及应理解为指的是非易失性或非暂时性记录或非易失性或非暂时性记录有。记录来自操作或数据获取的结果(例如，记录具有特定频率或波长的电信号等结果或记录图像或图像的一部分)在这里应理解为意味着或应被定义为以非易失性或非暂时性方式将输出数据写入存储元件、机器可读存储介质或存储器件。能够用于本发明的非易失性或非暂时性机器可读存储介质包括电子、磁性和/或光学存储介质(例如，磁性软盘和硬盘；一些实施例中能够使用DVD盘、使用CD-ROM盘(即，只读光学存储盘)、CD-R盘(即，一次写入多次读取光学存储盘)和CD-RW盘(即，可重写光学存储盘)中任一者的DVD驱动器、CD驱动器；和诸如RAM、ROM、EPROM、紧凑型闪速卡、PCMCIA卡或替代的SD或SDIO存储器等电子存储介质)；和容纳且读取和/或写入存储介质的电子组件(例如，软盘驱动器、DVD驱动器、CD/CD-R/CD-RW驱动器或紧凑型闪速/PCMCIA/SD适配器)。理论探讨尽管认为本文中给出的理论说明是正确的，但是本文中说明的和请求保护的器件的操作不取决于理论说明的准确性或有效性。即，可以在与本文中提出的理论不同的基础上解释观察到的结果的后续理论发展将不会损害本文中说明的发明。因此，在本说明书中确认的任何专利、专利申请、专利申请公开、期刊文章、书籍、公开论文或其它可公开获取材料的全部内容以引用的方式并入本文。所述的以引用的方式并入本文的但是与本文中明确陈述的现有定义、声明或其它披露材料冲突的任何材料或其一部分仅在被并入的材料与本文所披露的材料之间不发生冲突的程度而被并入。如果冲突，那么以有利于作为优选披露内容的本文披露内容的方式解决冲突。虽然已经参照附图所示的优选方式来具体地示意和说明了本发明，但是本领域技术人员应理解，在不偏离权利要求限定的本发明实质和范围的情况下，可以进行各种细节的变化。当前第1页1 2 3