專(zhuān)利名稱(chēng)：帶有具有增強(qiáng)靈敏度的光傳感器的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件且更具體而言涉及具有光傳感器的器件。
背景技術(shù)：
光學(xué)和/或光電子器件在通信應(yīng)用中的使用不斷增加。這些器件可以包括從波導(dǎo)接收光信號(hào)的光傳感器。這些光傳感器通常采用吸收接收的光信號(hào)的光吸收材料。在光傳感器的操作期間，在光吸收材料兩端施加電場(chǎng)。當(dāng)光吸收材料吸收光信號(hào)時(shí)，電流流經(jīng)光吸收材料。因此，通過(guò)光吸收材料的電流的水平指示被光吸收材料接收的光信號(hào)的強(qiáng)度。光學(xué)和/或光電子器件上的波導(dǎo)通常由硅制成。因?yàn)楣璨晃站哂性谕ㄐ艖?yīng)用中使用的波長(zhǎng)的光信號(hào)，硅通常并不有效地用作用于通信應(yīng)用的光傳感器中的光吸收介質(zhì)。對(duì)照地，鍺是可以吸收這些光信號(hào)的材料并因此通常用作用于通信應(yīng)用的光傳感器中的光吸收介質(zhì)。當(dāng)波導(dǎo)具有亞微米尺寸的剖面時(shí)，這些光傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)適當(dāng)?shù)乃俣?。然而，?dāng)與具有這些尺寸的波導(dǎo)一同使用時(shí)，這些光傳感器與不希望的高的光學(xué)損耗相關(guān)。而且，在很多通信應(yīng)用中使用的波導(dǎo)采用 較大的波導(dǎo)。當(dāng)這些光傳感器與較大波導(dǎo)一同使用時(shí)，它們一般損失速度且變得與不希望的暗電流水平相關(guān)。而且，這些光傳感器在低的光水平可能具有不希望的低的靈敏度。由于上述原因，對(duì)于改善的光傳感器存在需要。

發(fā)明內(nèi)容
光學(xué)器件包括基底上的波導(dǎo)和光傳感器。該光傳感器包括脊，該脊從位于脊的相對(duì)面上的平板區(qū)域延伸。脊包括倍增層和吸收層。吸收層布置為接收來(lái)自波導(dǎo)的光信號(hào)中的至少一部分。另外，吸收層響應(yīng)于接收光信號(hào)的光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)。倍增層布置為接收在吸收層中產(chǎn)生的電子且響應(yīng)于接收電子產(chǎn)生附加電子。器件還可以包括用作脊中的電場(chǎng)的源的場(chǎng)源。場(chǎng)源可以配置為使得電場(chǎng)基本平行于基底。例如，在一些示例中，脊包括頂部和平板區(qū)域之間的側(cè)面。場(chǎng)源每個(gè)均可以接觸側(cè)面之一且被場(chǎng)源接觸的側(cè)面可以位于光吸收介質(zhì)的相對(duì)面上。因此，所得的電場(chǎng)能夠在脊的側(cè)面之間行進(jìn)。


圖1A至ID說(shuō)明具有配置成從波導(dǎo)接收光信號(hào)的光傳感器的光學(xué)器件。圖1A是器件的透視圖。
圖1B是圖1A中示出的器件沿著標(biāo)記為B的線(xiàn)截取的剖面圖。
圖1C是圖1A中示出的器件沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。
圖1D是圖1C中示出的光學(xué)器件沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取且平行于波導(dǎo)的縱軸延伸的剖面圖。
圖2是其中波導(dǎo)包括水平椎體的光學(xué)器件的頂視圖。
圖3A至圖8說(shuō)明產(chǎn)生根據(jù)圖1A至ID構(gòu)建的光學(xué)器件的方法。
具體實(shí)施方式
光學(xué)器件包括基底上的光傳輸介質(zhì)。器件還包括配置成引導(dǎo)光信號(hào)通過(guò)光傳輸介質(zhì)的波導(dǎo)。光學(xué)器件還包括光傳感器。光傳感器包括脊，脊從位于脊的相對(duì)面上的平板區(qū)域延伸。脊包括倍增層和吸收層。吸收層布置為接收來(lái)自波導(dǎo)的光信號(hào)中的至少一部分。 另外，吸收層響應(yīng)于接收光信號(hào)的光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)。倍增層布置為接收在吸收層中產(chǎn)生的電子且響應(yīng)于接收電子產(chǎn)生附加電子。光傳感器響應(yīng)于單個(gè)光子的接收而產(chǎn)生多個(gè)電子的能力增強(qiáng)了的光傳感器的靈敏度。
另外，光傳感器包括用于在光傳感器操作期間在脊中產(chǎn)生電場(chǎng)的場(chǎng)源。從下面可以明顯看出，該電場(chǎng)可以與光傳感器中的光傳輸介質(zhì)和光吸收介質(zhì)之間的界面相互作用。 電場(chǎng)和該界面之間的相互作用是光傳感器中的暗電流的源。場(chǎng)源可以布置為使得電場(chǎng)基本平行于基底且相應(yīng)地還基本平行于該界面。形成平行于該界面的電場(chǎng)能夠減小光傳感器中的暗電流。因此，光傳感器可以與減小的暗電流和增加的靈敏度二者相關(guān)。
另外，波導(dǎo)的寬度可以在光信號(hào)進(jìn)入光吸收介質(zhì)之前逐漸變小。因此，光吸收介質(zhì)可以具有比波導(dǎo)的寬度小的寬度。減小的寬度增加了光傳感器的速度。因此，即使當(dāng)與通信應(yīng)用中常見(jiàn)的波導(dǎo)大小一同使用時(shí)，光傳感器可以具有希望的速度和暗電流水平，同時(shí)還具有與在較大波導(dǎo)上建立的光傳感器相關(guān)的減小的光學(xué)損耗。
圖1A至ID說(shuō)明具有配置成從波導(dǎo)接收光信號(hào)的光傳感器的光學(xué)器件。圖1A是器件的透視圖。圖1B是光傳感器的剖面圖。例如，圖1B是圖1A中示出的器件沿著標(biāo)記為 B的線(xiàn)截取的剖面圖。圖1C是波導(dǎo)的剖面圖。例如，圖1C是圖1A中示出的器件沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。圖1D是圖1C中示出的光學(xué)器件沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取且平行于波導(dǎo)的縱軸延伸的剖面圖。
器件處于已知為平面光學(xué)器件的光學(xué)器件的分類(lèi)內(nèi)。這些器件典型地包括相對(duì)于基板或基底固定的一個(gè)或更多波導(dǎo)。光信號(hào)沿著波導(dǎo)的傳播方向一般平行于器件的平面。 器件的平面的示例包括基底的頂面、基底的底面、基板的頂面和/或基板的底面。
所示器件包括從頂面1`2延伸到底面14的側(cè)面10 (或邊緣)。光信號(hào)沿著平面光學(xué)器件上波導(dǎo)的長(zhǎng)度的傳播方向一般延伸通過(guò)器件的側(cè)面10。器件的頂面12和底面14是非側(cè)面。
器件包括向和/或從光學(xué)部件17運(yùn)送光學(xué)信號(hào)的一個(gè)或更多波導(dǎo)16?？梢员话ㄔ谄骷系墓鈱W(xué)部件17的示例包括但不限于從由以下組成的群組選擇的一個(gè)或更多部件光信號(hào)可以通過(guò)其進(jìn)入和/或退出波導(dǎo)的分面、光信號(hào)可以從器件的上面或下面通過(guò)其進(jìn)入和/或/退出波導(dǎo)的進(jìn)入/退出端口、用于將多個(gè)光信號(hào)組合到單個(gè)波導(dǎo)的多路復(fù)用器、用于分離多個(gè)光信號(hào)使得在不同的波導(dǎo)上接收不同的光信號(hào)的解復(fù)用器、光學(xué)耦合器36、光學(xué)開(kāi)關(guān)、用作光信號(hào)的源的激光器、用于放大光信號(hào)的強(qiáng)度的放大器、用于衰減光信號(hào)的強(qiáng)度的衰減器、用于將信號(hào)調(diào)制到光信號(hào)上的調(diào)制器、將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光傳感器以及提供用于光信號(hào)從器件的底面14行進(jìn)通過(guò)器件到器件的頂面12的光學(xué)路徑的通孔。另外，器件可以可選地包括電學(xué)部件。例如，器件可以包括用于向波導(dǎo)施加電勢(shì)或電流和/或用于控制光學(xué)器件上的其他部件的電學(xué)連接。波導(dǎo)16限定在位于基底20上的光傳輸介質(zhì)18中。例如,波導(dǎo)16部分地由從光傳輸介質(zhì)18的平板區(qū)域向上延伸的脊22限定。在一些示例中，平板區(qū)域的頂部由部分延伸到光傳輸介質(zhì)18中或延伸通過(guò)光傳輸介質(zhì)18的溝槽24的底部限定。合適的光傳輸介質(zhì)18包括但不限于硅、聚合物、二氧化硅、SiN, GaAs, InP和LiNb03。一個(gè)或更多覆層可選地布置在光傳輸介質(zhì)18上。一個(gè)或更多覆層可以用作用于波導(dǎo)16和/或器件的覆層。當(dāng)光傳輸介質(zhì)18是娃時(shí)，合適的覆層包括但不限于娃、聚合物、二氧化娃、SiN、GaAs> InP和LiNb03。與光傳輸介質(zhì)18相 鄰的基底20的部分配置成將來(lái)自波導(dǎo)16的光信號(hào)反射回波導(dǎo)16以限制光信號(hào)處于波導(dǎo)16中。例如,與光傳輸介質(zhì)18相鄰的基底20的部分可以是具有比光傳輸介質(zhì)18低的折射率的光學(xué)絕緣體27。折射率的下降可以導(dǎo)致來(lái)自光傳輸介質(zhì)18的光信號(hào)反射回光傳輸介質(zhì)18中?；?0可以包括布置在基板28上的光學(xué)絕緣體27。從下面可以明顯看出，基板28可以配置成傳輸光信號(hào)。例如，基板28可以由與光傳輸介質(zhì)18不同或與光傳輸介質(zhì)18相同的光傳輸介質(zhì)18構(gòu)建。在一個(gè)不例中,器件構(gòu)建在絕緣體上硅晶片上。絕緣體上硅晶片包括用作光傳輸介質(zhì)18的硅層。絕緣體上硅晶片還包括布置在硅基板上的二氧化硅層。二氧化硅層可以用作光學(xué)絕緣體27且硅基板可以用作基板28。光學(xué)器件還包括配置成接收通過(guò)一個(gè)或更多波導(dǎo)16引導(dǎo)的光信號(hào)的光傳感器29。光傳感器29配置成將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。因此，光信號(hào)可以用于檢測(cè)光信號(hào)的接收。例如，光傳感器29可以用于測(cè)量光信號(hào)的強(qiáng)度和/或光信號(hào)的功率。盡管圖1A說(shuō)明在一個(gè)或更多部件和光傳感器29之間運(yùn)送光信號(hào)的波導(dǎo)16，器件可以構(gòu)建為使得波導(dǎo)16將光信號(hào)直接從光纖運(yùn)送到光傳感器29。光傳感器29包括脊22，該脊22從位于脊22的相對(duì)面上的平板區(qū)域延伸。平板區(qū)域的頂部由脊22的相對(duì)面上的溝槽24的底部限定。脊22包括吸收層30。例如，圖1B示出用作吸收層30的吸收光信號(hào)的光吸收介質(zhì)32。合適的光吸收介質(zhì)包括當(dāng)暴露于電場(chǎng)時(shí)響應(yīng)于接收光子而產(chǎn)生電子和空穴對(duì)的介質(zhì)。適于檢測(cè)在通信應(yīng)用中常采用的波長(zhǎng)的光信號(hào)的光吸收介質(zhì)32的示例包括但不限于鍺、硅鍺、硅鍺量子阱、GaAs和InP。鍺適于檢測(cè)具有1300nm至1600nm范圍內(nèi)的波長(zhǎng)的光信號(hào)。吸收層布置為接收沿著波導(dǎo)16行進(jìn)的光信號(hào)中的至少一部分。從圖1A可以明顯看出，在光吸收介質(zhì)32的分面和光傳輸介質(zhì)18的分面之間存在界面。該界面可以具有相對(duì)于光信號(hào)在界面通過(guò)波導(dǎo)16傳播的方向不垂直的角度。在一些示例中，界面相對(duì)于基底20基本垂直而相對(duì)于傳播方向不垂直。界面的不垂直性減小了背反射的影響。相對(duì)于傳播方向的合適的界面角度包括但不限于80°至89°之間的角度以及80°至85°之間的角度。
吸收層30可以布置在光傳輸介質(zhì)18的種子部分34上。具體而言,光傳感器29 的光吸收介質(zhì)32可以布置在光傳輸介質(zhì)18的種子部分34上。光傳輸介質(zhì)18的種子部分 34布置于基底20上。具體而言,光傳輸介質(zhì)18的種子部分34接觸絕緣體27。光傳輸介質(zhì)18的種子部分34可以與包括在波導(dǎo)16中的光傳輸介質(zhì)18連續(xù)或者與波導(dǎo)16隔開(kāi)。當(dāng)光信號(hào)進(jìn)入光傳感器時(shí)，光信號(hào)的一部分可以進(jìn)入光傳輸介質(zhì)18的種子部分34且光信號(hào)的另一部分進(jìn)入光吸收介質(zhì)32。因此，光吸收介質(zhì)32可以?xún)H接收光信號(hào)的一部分。在一些示例中，光傳感器可以配置為使得光吸收介質(zhì)32接收全部光信號(hào)。
從下面可以明顯看出，在器件的制造期間，光傳輸介質(zhì)18的種子部分34可以用于生長(zhǎng)光吸收介質(zhì)32。例如，當(dāng)光傳輸介質(zhì)18是硅且光吸收介質(zhì)32是鍺時(shí)，鍺可以在硅上生長(zhǎng)。因此，光傳輸介質(zhì)18在波導(dǎo)16中的使用以及作為用于生長(zhǎng)光吸收介質(zhì)32的種子層的使用可以簡(jiǎn)化用于制造器件的工藝。
光傳感器還包括位于倍增層36的一部分和吸收層30之間的電荷層35。倍增層 36的至少一部分布置為使得吸收層30不位于倍增層36的該部分和基底20之間。例如，倍增層36的該部分可以接觸基底20。在一些示例中，倍增層36布置為使得吸收層30不位于基底20和倍增層36之間。因此，倍增層36和吸收層30可以在基底20上彼此相鄰布置。 而且，倍增層36和吸收層30可以彼此相鄰布置，使得平行于基底20的頂面和/或底面的線(xiàn)延伸通過(guò)倍增層36和吸收層30 二者。
盡管倍增層36示為單層材料，倍增層36可以包括多層材料。用于倍增層36的合適的材料包括但不限于當(dāng)暴露于電場(chǎng)且接收電子時(shí)可以激勵(lì)附加電子的材料。示例包括但不限于包括諸如硅的結(jié)晶半導(dǎo)體的半導(dǎo)體材料。因此，在一些示例中，光傳輸介質(zhì)18和倍增層36可以是相同的材料。在圖7B中，光傳輸介質(zhì)18和倍增層36示為相同材料。
倍增層36可以包括用作電荷層35的摻雜區(qū)域37。倍增層36還可以包括非摻雜區(qū)域38，該非摻雜區(qū)域38布置為使得倍增層36的摻雜區(qū)域37位于倍增層36的非摻雜區(qū)域38和吸收層30之間。摻雜區(qū)域37可以是N型摻雜區(qū)域或P型摻雜區(qū)域。在一個(gè)示例中，如圖1B所示倍增層36是包括使用P型摻雜劑摻雜的區(qū)域的硅層且摻雜區(qū)域37與吸收層30接觸。
光吸收介質(zhì)32或吸收層30可以包括用作將要在脊22中形成的電場(chǎng)的場(chǎng)源的第一摻雜區(qū)域40。例如，圖1B說(shuō)明包括用作將要在脊22中形成的電場(chǎng)的場(chǎng)源的第一摻雜區(qū)域40的光吸 收介質(zhì)32。從圖1B可以明顯看出，第一摻雜區(qū)域40可以是連續(xù)和未間斷的且可以被包括在脊22和平板區(qū)域二者中。具體而言，第一摻雜區(qū)域40可以包括在脊22的側(cè)面和平板區(qū)域二者中。光吸收介質(zhì)32或吸收層30還可以包括倍增層和第二摻雜區(qū)域41 之間的非摻雜區(qū)域。
從圖1B可以明顯看出，包括第一摻雜區(qū)域40的平板區(qū)域的部分還可以包括或由光吸收介質(zhì)32組成。因此，第一摻雜區(qū)域40可以以單個(gè)連續(xù)介質(zhì)形成。作為示例，第一摻雜區(qū)域40可以以包括在脊22和平板區(qū)域二者中的鍺形成。從圖1B可以明顯看出，第一摻雜區(qū)域40可以向上延伸到光吸收介質(zhì)32的頂面。第一摻雜區(qū)域40可以是N型摻雜區(qū)域或P型摻雜區(qū)域。
倍增層36可以包括用作用于將要在脊22中形成的電場(chǎng)的場(chǎng)源的第二摻雜區(qū)域41。從圖1B可以明顯看出，第二摻雜區(qū)域41可以是連續(xù)和未中斷的且可以包括在脊22和平板區(qū)域二者中。具體而言，第二摻雜區(qū)域41可以包括在脊22的側(cè)面和平板區(qū)域二者中。從圖1B可以明顯看出，包括第二摻雜區(qū)域41的平板區(qū)域的部分還可以包括或由與倍增層36相同的材料組成。因此，第二摻雜區(qū)域41可以以單連續(xù)介質(zhì)形成。作為示例，第二摻雜區(qū)域41可以以包括在脊22和平板區(qū)域二者中的硅形成。從圖1B可以明顯看出，第二摻雜區(qū)域41可以向上延伸到光吸收介質(zhì)32的頂面。第二摻雜區(qū)域41可以是N型摻雜區(qū)域或P型摻雜區(qū)域。N型摻雜區(qū)域可以包括N型摻雜劑。P型摻雜區(qū)域可以包括P型摻雜劑。用于N型區(qū)域的合適的摻雜劑包括但不限于磷和/或神。用于P型區(qū)域的合適的摻雜劑包括但不限于硼。第一摻雜區(qū)域40和 第二摻雜區(qū)域41可以摻雜為電學(xué)導(dǎo)電。用于P型摻雜區(qū)域(其用作第一摻雜區(qū)域40或第二摻雜區(qū)域41)中的P型摻雜劑的合適的濃度包括但不限于大于I X IO15Cm' I X IO17CnT3 或 I X IO19CnT3 和 / 或小于 I X 1017cnT3、I X IO19CnT3 或 I X IO21CnT3 的濃度。用于N型摻雜區(qū)域(其用作第一摻雜區(qū)域40或第二摻雜區(qū)域41)中的N型摻雜劑的合適的濃度包括但不限于大于I X 1015cnT3、I X IO17CnT3或I X IO19CnT3和/或小于I X 1017cnT3、I X IO19CnT3 或 I X IO21CnT3 的濃度。如上所述，倍增層36的區(qū)域可以是用作電荷層35的N型摻雜區(qū)域或P型摻雜區(qū)域。用于N型區(qū)域的合適的摻雜劑包括但不限于磷和/或神。用于P型區(qū)域的合適的摻雜劑包括但不限于硼。因?yàn)閾诫s區(qū)域37用作電荷層，摻雜區(qū)域37可以具有比第一摻雜區(qū)域40和/或第二摻雜區(qū)域41低的摻雜劑濃度。例如，用作電荷層35的摻雜區(qū)域37中的P型摻雜劑的合適的濃度包括但不限于大于IX 1015cm_3、lX IO16CnT3或IX 1017cm_3和/或小于IX IO19Cm'IX IO2ciCnT3或IXlO21Cm-3的濃度。用作電荷層35的摻雜區(qū)域37中的N型摻雜劑的合適的濃度包括但不限于大于IX IO15Cm'I X IO16CnT3或IX IO17CnT3和/或小于I X IO19Cm' I X IO20CnT3 或 I X IO21CnT3 的濃度。在一個(gè)示例中，倍增層36包括或由硅組成，光吸收材料包括或由鍺組成，第一摻雜區(qū)域40是p型區(qū)域，摻雜劑濃度約為I X IO20Cm-3,第二摻雜區(qū)域41是n型區(qū)域，摻雜劑濃度約為I X 102°cm_3，且用作電荷層的摻雜區(qū)域37是p型區(qū)域，摻雜劑濃度約為lX1017cm_3。第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41每個(gè)均與諸如金屬的電學(xué)導(dǎo)體44接觸。因此，第一摻雜區(qū)域40提供電學(xué)導(dǎo)體44其中之一和光吸收介質(zhì)32之間的電學(xué)通信。具體而言，第一摻雜區(qū)域40提供電學(xué)導(dǎo)體44和包括在脊22的側(cè)面中的光吸收介質(zhì)32之間的電學(xué)通信。第二摻雜區(qū)域41提供電學(xué)導(dǎo)體44其中之一與倍增層36之間的電學(xué)通信。具體而言，第二摻雜區(qū)域41提供電學(xué)導(dǎo)體44其中之一與脊22的側(cè)面的倍增層36的部分之間的電學(xué)通信。在光傳感器的操作期間，與電學(xué)接觸電學(xué)通信的電子裝置(未示出)用于在第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41之間施加反向偏置。當(dāng)?shù)谝粨诫s區(qū)域40是p型區(qū)域吋，第二摻雜區(qū)域41是n型區(qū)域，且用作電荷層35的摻雜區(qū)域37是p型區(qū)域，正電荷在電荷層35發(fā)展。因此，在電荷層35處存在増加的電場(chǎng)。當(dāng)光子在吸收層的未摻雜區(qū)域中被吸收時(shí)，產(chǎn)生空穴和電子對(duì)。電子在電荷層35處被拉向正電荷。電荷層處的增加的電場(chǎng)激勵(lì)電子且導(dǎo)致電子加速。電子可以加速到電子與倍增層36的晶格結(jié)構(gòu)的交互激勵(lì)附加空穴和電子對(duì)的程度。進(jìn)而，這些電子可以激勵(lì)其他空穴和電子對(duì)。以這種方式，單個(gè)光子導(dǎo)致多個(gè)電子的產(chǎn)生。這些電子提供通過(guò)光傳感器的電流。電流水平可以被電子裝置檢測(cè)和/或測(cè)量以確定光信號(hào)的存在和/或強(qiáng)度。因此，來(lái)自單個(gè)光子的這些附加電子的產(chǎn)生增加了光傳感器的靈敏度。電荷層中的摻雜水平可以影響光傳感器的操作。例如，電荷層中的摻雜水平可以選擇為導(dǎo)致倍增層中的高電場(chǎng)水平以在吸收層中提供足夠低的電場(chǎng)以減小吸收層中的雪崩增益的同時(shí)實(shí)現(xiàn)倍增層中的高增益。吸收區(qū)域中的低增益可以減小可以吸收光的自由載流子而不產(chǎn)生指示光的存在的電流。光傳感器可以配置成向光吸收介質(zhì)32施加基本平行于基底20的電場(chǎng)。例如,光吸收介質(zhì)32可以包括連接底面36和頂面37的側(cè)面35。底面位于頂面和基底20之間。在一些示例中，側(cè)面相對(duì)于基底20基本垂直。如上所述，光傳感器適于與適合在通信應(yīng)用中使用的波導(dǎo)尺寸配合使用。因此，用于波導(dǎo)16的合適高度(在圖1C中以h標(biāo)記)包括但不限于大于I μ m、2 μ m和3μπι的高度。用于波導(dǎo)16的合適寬度(在圖1C中以w標(biāo)記)包括但不限于大于O. 5 μ m、2 μ m和3 μ m的寬度。合適的波導(dǎo)尺寸比例(波導(dǎo)16的寬度波導(dǎo)16的高度)包括但不限于大于O. 15:1、O. 5:1和1:1和/或小于O. 25:1、1:1和2:1的比例。用于與波導(dǎo)相鄰的平板區(qū)域的合適厚度包括但不限于大于O.1 μ m、0. 5μηι或Ιμπι和/或小于1.5μηι、2μηι*3μηι的厚度。在光傳感器中，用于脊22的合適高度(在圖1B中以H標(biāo)記)包括但不限于大于O. 5 μ m、l μ m或2 μ m和/或小于3. 5 μ ηι、4μ m或5 μ m的高度。用于光吸收介質(zhì)32的合適聞度(在圖1B中以h標(biāo)記)包括但不限于大于O. 5μηι、1μηι或2μηι和/或小于3. 5 μ m、4μ m或5μ m的高度。從圖1B可以明顯看出，包括光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域可以具有與排除光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域的厚度不同的厚度。用于包括光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域的合適厚度包括但不限于大于O.1 μ m、0. 5μηι或Ιμπι和/或小于1.54!11、241]1或341]1的厚度。用于排除光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域的合適厚度包括但不限于大于O. ΙμπκΟ. 5μπι或I μ m和/或小于1. 5 μ m> 2 μ m 3 μ m的厚度。包括在光傳感器的脊22中的光吸收介質(zhì)32的寬度可以影響光傳感器的性能。例如，增加光吸收介質(zhì)32的寬度可以增加從波導(dǎo)16接收光信號(hào)的光吸收介質(zhì)32的部分且因此可以增加光傳感器的效率。然而，增加該寬度可以通過(guò)增加在光吸收介質(zhì)32中產(chǎn)生的電子經(jīng)過(guò)光吸收介質(zhì)32行進(jìn)的距離而減小光傳感器的速度。類(lèi)似的，倍增區(qū)域的寬度可以減慢光傳感器。因此，希望倍增區(qū)域的寬度小于光吸收區(qū)域的寬度。合適的寬度比例(光吸收介質(zhì)32的寬度倍增層36的寬度)包括大于O. 1:1、0. 5:1或1:1和/或小于.12:1、1.5:1或2:1的寬度比例。用于光吸收介質(zhì)32的合適寬度包括大于O. ΙμπκΟ. 5μηι或Ιμπι和/或小于1.5μηι、2μηι*4μηι的寬度。用于倍增層36的合適寬度包括大于O.1 μ m、0. 2 μ m或O. 5 μ m和/或小于1μηι、2μηι或3μηι的寬度。在光傳感器的一個(gè)示例中，用于脊22的高度是3 μ m，用于光吸收介質(zhì)32的高度是3 μ m，包括光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域是I μ m,且排除光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域的厚度是Ιμπι。在該示例中,倍增區(qū)域的寬度是O. 5μηι且光吸收區(qū)域的寬度是1. 5μηι。不是使用第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41作為場(chǎng)源，諸如金屬的電學(xué)導(dǎo)體44可以用作場(chǎng)源。例如，不需要形成第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41，且可以在第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41的位置上方形成電學(xué)導(dǎo)體。電學(xué)導(dǎo)體然后可以用作場(chǎng)源。
圖2是其中波導(dǎo)16包括椎體48的光學(xué)器件的頂視圖。椎體48可以是水平椎體且不需要包括垂直椎體，盡管垂直椎體是可選的。椎體48布置在光傳感器前面。例如，水平椎體在光傳輸介質(zhì)18而不是光吸收介質(zhì)32中出現(xiàn)。椎體48允許光吸收介質(zhì)32具有比波導(dǎo)16窄的寬度。光吸收介質(zhì)32的減小的寬度增加了光傳感器的速度。光學(xué)部件優(yōu)選地排除在椎體和光傳感器之間的附加部件，盡管可以存在其他部件。
波導(dǎo)可以與吸收層30對(duì)準(zhǔn)。例如，圖2示出波導(dǎo)的脊22與吸收層對(duì)準(zhǔn)，而脊的任一部分不與倍增層36對(duì)準(zhǔn)。這種對(duì)準(zhǔn)可以在吸收層中提供光信號(hào)的有效吸收的同時(shí)減小光信號(hào)到倍增層36的進(jìn)入。
光學(xué)器件可以使用在集成電路、光電子電路和/或光學(xué)器件的制造中采用的制造技術(shù)構(gòu)建。例如，用于波導(dǎo)16和/或種子部分34的脊22可以使用絕緣體上硅晶片上的蝕刻技術(shù)在光傳輸介質(zhì)18中形成。水平椎體可以容易地使用掩膜和蝕刻技術(shù)形成。用于形成垂直椎體的合適的方法在2003年I月15日提交的名為“Controlled Selectivity Etch for Use with Optical Component Fabrication”的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)序列號(hào) 10/345，709 中公開(kāi),此處并入其全部?jī)?nèi)容。
圖3A至8說(shuō)明產(chǎn)生根據(jù)圖1A至IC構(gòu)建的光學(xué)器件的方法。使用絕緣體上硅晶片或芯片作為用于光學(xué)器件的起始前體說(shuō)明該方法。然而，該方法可以適用于與絕緣體上硅平臺(tái)不同的平臺(tái)。
圖3A至3C說(shuō)明在絕緣體上硅晶片或芯片上形成第一掩膜以提供器件前體。圖3A 是器件前體的頂視圖。圖3B是圖3A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為B的線(xiàn)截取的剖面圖。 圖3C是圖3A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。第一掩膜50使得器件前體的一個(gè)區(qū)域露出(在那里要形成傳感器腔體)，同時(shí)保護(hù)器件前體的所述部分的其余部分。傳感器腔體是要形成光吸收介質(zhì)32和包括光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域的器件前體的區(qū)域。然后執(zhí)行第一蝕刻從而形成傳感器腔體。第一蝕刻得出圖3A至圖3C的器件前體。第一蝕刻執(zhí)行為使得光傳輸介質(zhì)18的種子部分34保留在基底20上。因此，第一蝕刻在到達(dá)基底20之前可選地終止。
合適的第一掩膜50包括但不限于諸如二氧化娃掩膜的硬掩膜。合適的第一蝕刻包括但不限于干法蝕刻。
如圖4A至4C所示，在圖3A至圖3C的傳感器腔體52中形成電荷層。圖4A是器件前體的頂視圖。圖4B是圖3A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為B的線(xiàn)截取的剖面圖。圖4C 是圖3A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。通過(guò)在光傳輸區(qū)域的垂直壁中形成摻雜區(qū)域37而形成電荷層。摻雜區(qū)域37可以通過(guò)在器件前體上形成摻雜掩膜使得摻雜區(qū)域37的位置保持露出且器件前體的所示部分的其余部分被保護(hù)而產(chǎn)生?？梢圆捎么蠼嵌葥诫s劑注入工藝以形成摻雜區(qū)域37。然后可以去除摻雜掩膜。
如圖5A至5C所示，在圖4A至圖4C的傳感器腔體中形成光吸收介質(zhì)32。圖5A是器件前體的頂視圖。圖5B是圖5A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為B的線(xiàn)截取的剖面圖。圖 5C是圖5A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。當(dāng)光傳輸介質(zhì)18是硅且光吸收介質(zhì)32`是鍺時(shí)，鍺可以生長(zhǎng)在硅的種子部分34上。在形成光吸收介質(zhì)32之后，器件前體可以被平面化以提供圖5A至圖5C的器件前體。合適的平面化方法的示例是化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)エ藝。在器件前體的平面化之后，如圖5A至5C所示可以在器件前體上形成第二掩膜。第ニ掩膜54形成為使得要形成平板區(qū)域的區(qū)域保持露出，同時(shí)保護(hù)器件前體的所示部分的其余部分。合適的第二掩膜54包括諸如ニ氧化硅掩膜的硬掩膜。在圖5A至5C的器件前體上執(zhí)行第二蝕刻以提供圖6A至圖6C的器件前體。圖6A是器件前體的頂視圖。圖6B是圖6A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為B的線(xiàn)截取的剖面圖。圖6C是圖6A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。第二蝕刻在排除光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域形成到所需厚度時(shí)停止。因?yàn)榈诙g刻同時(shí)蝕刻光傳輸介質(zhì)18和光吸收介質(zhì)32，第二蝕刻可以將光傳輸介質(zhì)18和光吸收介質(zhì)32蝕刻到不同的深度。因此，圖7B(以及圖2)說(shuō)明包括光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域形成到與排除光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域不同的厚度。在一個(gè)示例中，第二蝕刻選擇為比光吸收介質(zhì)32更快地蝕刻光傳輸介質(zhì)18。因此，包括光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域示為比排除光吸收介質(zhì)32的平板區(qū)域更厚?？梢栽趫D6A至圖6C的器件前體中形成第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41以提供圖7A至圖7C的器件前體。圖7A是器件前體的頂視圖。圖7B是圖7A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為B的線(xiàn)截取的剖面圖。圖7C是圖7A中示出的器件前體沿著標(biāo)記為C的線(xiàn)截取的剖面圖。第一摻雜區(qū)域40可以通過(guò)在器件前體上形成摻雜掩膜使得第一摻雜區(qū)域40的位置保持露出且器件前體的所述部分的其 余部分被保護(hù)而產(chǎn)生。高角度摻雜劑注入エ藝可以用于形成第一摻雜區(qū)域40。摻雜掩膜然后可以被去除。相同的序列然后可以用于形成第二摻雜區(qū)域41。第二摻雜區(qū)域41可以在第一摻雜區(qū)域40之前形成或第一摻雜區(qū)域40可以在第二摻雜區(qū)域41之前形成?？梢钥蛇x地在圖7A至圖7C的器件前體上形成第一覆層56、金屬導(dǎo)體44和第二覆層58以提供圖8的器件前體。第一覆層可以形成為使得被電學(xué)導(dǎo)體44接觸的第一摻雜區(qū)域40和第二摻雜區(qū)域41的部分保持露出且器件前體的所述部分的其余部分被第一覆層保護(hù)。合適的第一覆層包括但不限于隨后使用光刻構(gòu)圖的PECVD沉積的ニ氧化硅?？梢栽谒玫钠骷绑w上形成電學(xué)導(dǎo)體44。電學(xué)導(dǎo)體44可以形成為使得每個(gè)電學(xué)導(dǎo)體44從第一摻雜區(qū)域40或第二摻雜區(qū)域41延伸出溝槽24且在光傳輸介質(zhì)18上方延伸。合適的電學(xué)導(dǎo)體44包括諸如鈦和鋁的金屬。金屬可以通過(guò)濺射沉積且通過(guò)光刻構(gòu)圖?？梢钥蛇x地在所得的器件前體上形成第二覆層。第二覆層可以被構(gòu)圖為使得第二覆層限定電學(xué)導(dǎo)體44上的接觸焊盤(pán)。因?yàn)榻佑|焊盤(pán)可以布置在溝槽24外部，接觸焊盤(pán)的位置在圖8中沒(méi)有示出。合適的第二覆層包括但不限于隨后使用光刻構(gòu)圖的PECVD沉積的SiN。器件可以和與用作接觸焊盤(pán)的電學(xué)導(dǎo)體44的一部分電學(xué)通信的電子裝置結(jié)合使用。電子裝置可以向接觸焊盤(pán)施加電能，從而形成光傳感器兩端的反向偏置。鑒于這些教導(dǎo)，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將容易想到本發(fā)明的其他實(shí)施例、組合和修改。因此，本發(fā)明僅由下面的權(quán)利要求限定，所述權(quán)利要求包括結(jié)合上述說(shuō)明書(shū)和附圖觀(guān)察時(shí)的所有這樣的實(shí)施例及修改。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)器件，包含基底上的波導(dǎo)，該波導(dǎo)配置成引導(dǎo)光信號(hào)通過(guò)光傳輸介質(zhì)；以及位于基底上的光傳感器，該光傳感器包括脊，從位于脊的相對(duì)面上的平板區(qū)域向上延伸，該脊包括配置成在脊中產(chǎn)生電場(chǎng)的場(chǎng)源，該場(chǎng)源位于脊的相對(duì)側(cè)面上，側(cè)面中的每一個(gè)位于脊的頂部和平板區(qū)域之間，該脊包括倍增層和吸收層，該吸收層布置為接收來(lái)自波導(dǎo)的光信號(hào)中的至少一部分， 該吸收層配置成響應(yīng)于接收光信號(hào)的光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)，以及該倍增層布置為接收在吸收層中產(chǎn)生的電子且響應(yīng)于接收電子產(chǎn)生附加電子。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中倍增層包括光傳輸介質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的器件,其中一層光傳輸介質(zhì)位于基底和吸收層之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件,其中倍增層由該光傳輸介質(zhì)組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中場(chǎng)源配置成產(chǎn)生電場(chǎng)，使得電場(chǎng)基本平行于基底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中場(chǎng)源均是摻雜區(qū)域。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中吸收層包括響應(yīng)于接收光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)的光吸收介質(zhì)且摻雜區(qū)域之一是光吸收介質(zhì)的摻雜區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的器件，其中光吸收介質(zhì)的摻雜區(qū)域被包括在脊中以及平板區(qū)域之一中。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的器件，其中倍增層包括產(chǎn)生附加電子的倍增介質(zhì)且摻雜區(qū)域之一是倍增介質(zhì)的摻雜區(qū)域。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的器件，其中倍增介質(zhì)的摻雜區(qū)域被包括在脊中以及平板區(qū)域之一中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中吸收層包括響應(yīng)于接收光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)的光吸收介質(zhì)且光吸收介質(zhì)是鍺。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中吸收層包括響應(yīng)于接收光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)的光吸收介質(zhì)，該光吸收介質(zhì)是鍺，該倍增層包括硅，該光傳輸介質(zhì)包括娃，并且一層娃位于基底和吸收層之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中波導(dǎo)布置在基底的頂面上，且吸收層和倍增層布置為使得平行于基底的頂面的線(xiàn)可以延伸通過(guò)吸收層和倍增層二者。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中吸收層接觸倍增層。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，還包含在吸收層和倍增層之間的界面處的電荷層。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件，其中電荷層是倍增層的摻雜區(qū)域。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的器件，其中倍增層包括硅且電荷層是硅的摻雜區(qū)域。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的器件，其中場(chǎng)源之一是硅的摻雜區(qū)域。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的器件，其中吸收區(qū)域包括鍺且場(chǎng)源之一是硅的摻雜區(qū)域。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的器件，其中鍺和硅彼此接觸。
全文摘要
光學(xué)器件包括基底上的波導(dǎo)和光傳感器。該光傳感器包括脊，該脊從位于脊的相對(duì)面上的平板區(qū)域延伸。脊包括倍增層和吸收層。吸收層布置為接收來(lái)自波導(dǎo)的光信號(hào)中的至少一部分。另外，吸收層響應(yīng)于接收光信號(hào)的光子產(chǎn)生空穴和電子對(duì)。倍增層布置為接收在吸收層中產(chǎn)生的電子且響應(yīng)于接收電子產(chǎn)生附加電子。
文檔編號(hào)H01J40/14GK103053004SQ201080047708
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者M.阿斯哈里, 馮大增 申請(qǐng)人:科途嘉光電公司