带有集成加热器的ge/si雪崩光电二极管及其制作方法
【专利说明】带有集成加热器的GE/SI雪崩光电二极管及其制作方法
[0001]相关专利申请的交叉引用
[0002]本申请要求2014年2月21日提交的第61/966，353号美国临时专利申请和2015年I月26日提交的第14/605，524号美国非临时专利申请的优先权，该美国专利申请被通过引用的方式合并于此。
技术领域
[0003]本发明涉及光子器件。更具体地，本发明涉及一种雪崩光电二极管的集成结构及其加热器。
[0004]发明背景
[0005]因受益于载流子倍增原理而产生的更高灵敏度，雪崩光电二极管(APDs)被广泛用于光纤通信。与PIN光电二极管(PD)相比，传统的II1-V AH)接收器提供大于6dB的灵敏度改善，数据速率达到lOGb/s。然而，由于k-因子，即碰撞电离系数的比例较大的缘故，基于InP的APDs表现出有限的增益带宽积和高倍增噪声。已经证实:基于硅(Si)的APDs是用于高速通信应用的最佳设备，其中锗(Ge)被用作吸收材料。Ge材料是间接带隙材料。当受到拉伸应变时，GeL-波段和Γ -波段均缩小，但直接的Γ -波段缩小得更快并变成直接带隙材料，对更长的波长的入射光的Ge吸收系数因此增加。此外，Ge材料可被用在C-波段应用(大约1500nm或者1550nm)和光纤到户(FTTH)应用(大约1577nm)的APDs中。典型的C-波段应用适用于工业标准，其中工作温度从-40 0C到85 °C变动，而FTTH应用的工作温度范围通常从_20°C到75°C。在大约1550nm和1577nm的波长，Ge材料吸收系数对温度敏感，而且当工作在低温环境而不是室温下的时候，GeSi APD的灵敏度下降严重。
[0006]—种保持低温时Ge PD性能的方法是在6针的晶体管轮廓(TO)-头座的顶面上安装30Ω电阻，如图1所示。当在该晶体管上施加3.3V偏置电压时，在该电阻中产生的热量能加热该TO-头座并使TO温度随着消耗功率而增加大约十几度。因此，能够改善Ge/SiAPDs的灵敏度性能，以满足特定的要求。由于在电阻和Ge/Si APD芯片之间存在几百微米的间隙，需要通常为十几秒的时间周期来从该电阻经由TO-头座传递热量到Ge区，如图1所示。结果，对实际应用而言，这种方法的效率和响应速度过低。
【发明内容】
[0007]在一方面，一种装置可以包括基板、至少一个顶面被照亮(top-1lluminated)的Ge/Si雪崩光电二极管，以及至少一个加热器。该至少一个顶面被点亮的Ge/Si雪崩光电二极管可被形成在基板的第一侧面上。该Ge/Si雪崩光电二极管可包括第一 Si层、第二 Si层、电荷层、Ge层以及掺杂层。可以第一类型掺杂剂掺杂该第一 Si层。该第二 Si层可起到倍增层的作用，非故意地掺杂，或可以浓度低于5E17cm 3的第一类型掺杂剂轻微地掺杂，或以浓度低于5E17cm 3的第二类型掺杂剂轻微地掺杂。可以第二类型掺杂剂掺杂该电荷层。Ge层可起到吸收层的作用，为非故意地掺杂，或可以浓度低于5E17cm 3的第一类型掺杂剂轻微地掺杂，或以浓度低于5E17cm3的第二类型掺杂剂轻微地掺杂。可以第二类型掺杂剂掺杂该掺杂层。该至少一个加热器可被集成在基板之中或之上。当环境温度在阈值温度以下时，控制回路自动响应，并施加偏置于其上，该至少一个加热器可被设置成增加该结构的温度，以保持Ge/Si雪崩光电二极管结构的灵敏度水平。
[0008]在另一方面，一种装置的制造方法可以包括:在绝缘体上硅结构(SOI)基板的第一侧面上形成Ge/Si雪崩光电二极管，该SOI基板包括顶面Si层、Si基板层，以及布置在该顶面Si层和Si基板层之间的掩埋氧化层(BOX);在该SOI基板的顶面Si层上执行第一蚀刻工艺；在该SOI基板的BOX层上执行第二蚀刻工艺，直到该Si基板层暴露该SOI基板的Si基板层的一部分为止；在该SOI基板上形成至少一个集成加热器；沉积用于绝缘的介电层；执行介电层蚀刻工艺以制作一个或多个触点；执行自对准(salicide)硅化物工艺；执行金属沉积工艺；以及执行金属蚀刻工艺。
[0009]在又一方面，一种装置的制造方法可以包括:在绝缘体上硅结构(SOI)基板的顶面Si层上形成Ge/Si雪崩光电二极管，该SOI基板进一步包括该顶面Si层下面的掩埋氧化层(BOX);在该顶面Si层的一部分上执行离子注入工艺，以形成被第一类型掺杂剂掺杂的区域中的至少一个集成加热器的阻性组件；沉积用于绝缘的介电层；执行介电层蚀刻工艺，以制作一个或多个触点；执行自对准硅化物工艺；执行金属沉积工艺；以及执行金属蚀刻工艺。
[0010]附图的简要描述
[0011]附图用来提供对本发明的进一步理解，并被包括于且构成说明书的一部分。【附图说明】本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。为了更好地呈现被说明主题的某些特征，附图未必依照比例。
[0012]图1示出用于Ge/Si APD的常规的6针TO-头座解决方案。(a)安装有Ge/Si APD芯片和电阻加热器的TO-头座；(b) Ge/Si APD芯片。
[0013]图2示出根据本发明的实施例的带有至少一个被集成于其中的加热器的Ge/Si雪崩光电二极管。
[0014]图3示出根据本发明的另一个实施例的带有至少一个被集成于其中的加热器的Ge/Si雪崩光电二极管。
[0015]图4示出根据本发明的又一个实施例的带有至少一个被集成于其中的加热器的Ge/Si雪崩光电二极管。
[0016]图5示出根据本发明的实施例的安装有集成于Ge/Si APD的加热器的6针TO解决方案的设计。
[0017]优选实施例的详细描述
[0018]示例实施方式
[0019]为了解决前述问题，本发明提供了一种带有集成加热器的雪崩光电二极管及其制作方法。
[0020]图2示出根据本发明的实施例的包括带有被集成于其中的至少一个加热器的Ge/Si雪崩光电二极管204的装置200的截面图。如图2所示，Ge/Si雪崩光电二极管204包括至少一个形成于基板210的顶面上的集成加热器，该基板可为绝缘体上硅结构(SOI)基板。基板210可包括硅基板层、掩埋(BOX)层，以及顶面Si层，BOX层被布置于硅基板层和顶面Si层之间。
[0021]在制作工艺方面，首先，在顶面Si层上形成台面结构的Ge/Si雪崩光电二极管204，随后沉积至少一个阻性组件以起到至少一个加热器205的作用。该至少一个加热器205的至少一个阻性组件可以具有大约10?50 Ω的阻值。在一些实施方式中，该至少一个加热器205可包括金属或TaN。通过另一离子注入工艺可形成以第二类型(例如，P型)掺杂剂掺杂的掺杂阱，以防止电流扩散到基板210。然后，在该至少一个加热器205和Ge/Si雪崩光电二极管204上可形成钝化层。该钝化层还可起到该台面结构的Ge/Si雪崩光电二极管的抗反射层的作用。最后，在垫开窗工艺之后，可在该至少一个加热器205和Ge/Si雪崩光电二极管204的顶面分别形成导电垫(例如，铝垫)。
[0022]当环境温度降低到某个点，例如，在阈值温度以下时，可以自动触发温度控制回路，以在该至少一个加热器205上施加适当的偏置电压，即，激活或打开该至少一个加热器205。因此，Ge/Si雪崩光电二极管204的结合区的温度可被有效且快速