專利名稱：集成于絕緣襯底上外延硅薄板上的多晶鍺基波導(dǎo)檢測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光檢測器，特別涉及集成于絕緣襯底上外延硅(silicon-on-insulator，簡稱SOI)薄板上的多晶鍺基波導(dǎo)檢測器。
背景技術(shù)：
在SOI基的光電基板中，相對較薄(例如，＜1μm)的硅質(zhì)波導(dǎo)管被用來分配穿過整個晶片的光線，并提供多種光學(xué)功能(例如，分割/結(jié)合、調(diào)制、開關(guān)、多路傳輸/分路傳輸、增溢/衰減、均衡和色散補(bǔ)償)。在SOI平臺上的薄波導(dǎo)管內(nèi)光耦合能力和操控能力能夠在單一硅晶片上真正實現(xiàn)光學(xué)部件和微電子元件的集成。在光通訊行業(yè)中導(dǎo)致高成本、高功率消耗和光學(xué)元件/系統(tǒng)的大形狀系數(shù)(form factors)的原因之一就是缺乏可用的部件集成。現(xiàn)今的光電子行業(yè)依賴于分散的組件和各種元件的混合集成，與上世紀(jì)60年代的IC行業(yè)類似，這些分散的元器件是開環(huán)的，其中，環(huán)路最終由外部來閉合(例如使用外部的光學(xué)部件和電子元件)，導(dǎo)致高成本和低產(chǎn)出。使用晶片上(on-chip)反饋控制技術(shù)，模擬IC能以很低的成本滿足高精度的要求，盡管運(yùn)行條件明顯改變。
由光子向電子的轉(zhuǎn)換，對于微光子學(xué)與微電子學(xué)的成功集成來說是必不可少的。InGaAs基的PIN光電檢測器，由于其高的響應(yīng)率和速度通常被用于遠(yuǎn)程通訊應(yīng)用中。InGaAs基檢測器大多是正入射式檢測器，將這樣的器件集成于硅表面的成本很高。此外，集成高速InGaAs檢測器需要特殊的光學(xué)部件將光聚焦于小的活性面積區(qū)，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，這將影響器件的工作特性。
鍺基區(qū)域檢測器是現(xiàn)有技術(shù)中人們所公知的。鍺檢測器提供較InGaAs基檢測器更高的暗電流，這使鍺檢測器在遠(yuǎn)程通訊行業(yè)中的應(yīng)用受到限制。近年來，人們已經(jīng)進(jìn)行了許多努力來改善多晶鍺基檢測器在這些應(yīng)用中的表現(xiàn)。在題為“Efficient high-speed near-infrared Ge photodetectors integrated on Sisubstrates”的文章中討論了一個現(xiàn)有技術(shù)的多晶鍺檢測器，該文章由L.Colace等發(fā)表于Applied Physics Letters，Vol.76，p1231，2000。
鑒于以上所述，目前仍然需求實現(xiàn)低成本、有效的光/電轉(zhuǎn)換的機(jī)構(gòu)，以簡化在單一硅基晶片上集成光學(xué)和電子學(xué)功能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述需求，本發(fā)明涉及光學(xué)檢測器，特別是涉及集成于絕緣襯底上外延硅(SOI)薄板上的多晶鍺基波導(dǎo)檢測器。
特別是，本發(fā)明涉及多種不同的多晶鍺基的光電檢測器結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)與SOI平臺中形成的相對較薄的硅質(zhì)波導(dǎo)管單片集成。多晶鍺可以用多種方法形成，例如物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)，但并不限于這些方法。在SOI基的薄型硅質(zhì)波導(dǎo)管中，由于折射率襯比(index contrast)較大(nSi＝3.5，nSiO2＝1.5)，使得光學(xué)模受到嚴(yán)格限制。根據(jù)本發(fā)明，在硅質(zhì)波導(dǎo)管中傳播的光，當(dāng)?shù)竭_(dá)被多晶鍺層覆蓋的區(qū)域時，光被吸收到多晶鍺層中。鍺的帶隙(band gap)(～0.72eV)確保了有效地吸收近紅外波長的光。使用在多晶鍺層上制備的適當(dāng)?shù)碾姌O結(jié)構(gòu)，可以有效地收集由于吸收光而產(chǎn)生的電子—空穴對。通過多晶鍺層的物理尺度(例如高度、寬度和長度)可以控制吸收光的量。
在本發(fā)明的多晶鍺檢測器的一個優(yōu)選實施方式中，檢測器層是一個包裹覆蓋的幾何體(wrap-around geometry)，位于在SOI板上形成的硅帶波導(dǎo)管上面，帶有在硅帶的兩個側(cè)面中任一側(cè)上形成的接點用于對檢測器加偏壓。波導(dǎo)管橫向尺度狹窄(～1μm)，使得可以進(jìn)行高速、低暗電流的高響應(yīng)性的操作，因為與正入射式檢測器相比其面積明顯變小。
在另一個實施方式中，多晶鍺層直接形成于板狀硅波導(dǎo)管上，使用在硅層中設(shè)置的聚焦元件(例如反射鏡、透鏡或凹面光柵)將光聚焦在多晶鍺檢測器上。那么在硅中因其高折射率而可以產(chǎn)生的聚焦點的尺寸為
Wmin=(0.6λSiNA)]]>式中，Wmin是光束最小直徑，λSi是硅中的光束波長，NA是聚焦元件的數(shù)值孔徑。硅中的光束波長遠(yuǎn)小于在自由空間中的，這使得光可以非常狹窄地聚焦在薄的硅波導(dǎo)管中。因而，檢測區(qū)域可以非常小(例如10μm2)，可以進(jìn)行檢測器的高速運(yùn)作。另外，多晶鍺檢測器層的形狀可以被修整以使反射損失最小化和/或使光線在檢測器中準(zhǔn)確聚焦。
在本發(fā)明的又一個實施方式中，多晶鍺檢測器形成在一個狹窄的硅質(zhì)梁(rib)狀波導(dǎo)管上，這樣光束沿著梁狀波導(dǎo)管傳播，在波導(dǎo)管的整個長度上與多晶鍺層發(fā)生相互作用。這導(dǎo)致在吸收長度上沒有缺陷，使得光線被全部吸收，并且和載流子收集長度是相同的(與正入射型檢測器相同)。在本發(fā)明的這種配置中，載流子收集長度保持一樣，而光的吸收通過多晶鍺檢測器的長度單獨(dú)進(jìn)行控制。
附圖簡要說明

圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)的正入射式光電檢測器的橫斷面示意圖。
圖2是本發(fā)明的多晶鍺光電檢測器可以在其上面形成的典型SOI結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖。
圖3(a)和(b)分別是含有板狀波導(dǎo)管的典型SOI結(jié)構(gòu)的橫斷面示意圖和等角圖。
圖4(a)和(b)分別是圖3中所示的在板狀波導(dǎo)管的SOI結(jié)構(gòu)上形成的多晶鍺檢測器的橫斷面示意圖和等角圖。
圖5(a)和(b)分別為圖4所示的配置的另一實施方式的橫斷面示意圖和等角圖，其中在波導(dǎo)管和檢測器之間存在電介質(zhì)層。
圖6(a)和(b)分別為含有帶狀波導(dǎo)管的典型SOI結(jié)構(gòu)的橫斷面圖和等角圖。
圖7(a)和(b)分別是在圖6的帶狀波導(dǎo)管SOI結(jié)構(gòu)上形成的多晶鍺檢測器的橫斷面圖和等角圖。
圖8(a)和(b)分別是圖7所示的配置的另一實施方式的橫斷面圖和等角圖，其中在波導(dǎo)管和檢測器之間存在電介質(zhì)層。
圖9(a)和(b)分別是含有梁狀波導(dǎo)管的典型SOI結(jié)構(gòu)的橫斷面圖和等角圖。
圖10(a)和(b)分別是圖9所示梁狀波導(dǎo)管SOI結(jié)構(gòu)上形成的多晶鍺檢測器的橫斷面圖和等角圖。
圖11(a)和(b)分別是圖10所示的配置的另一實施方式的橫斷面圖和等角圖，其中包括在板狀波導(dǎo)層和梁狀波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間存在的電介質(zhì)層。
圖12是SOI基的帶狀波導(dǎo)管配置的側(cè)視圖，其包括本發(fā)明的多晶鍺檢測器，該檢測器形成于沿著SOI結(jié)構(gòu)上表面的帶狀波導(dǎo)管的終端。
圖13是SOI基的梁狀波導(dǎo)管配置的側(cè)視圖，其包括本發(fā)明的多晶鍺檢測器，該檢測器形成于沿著SOI結(jié)構(gòu)上表面的梁狀波導(dǎo)管的終端。
圖14是多晶硅梁狀波導(dǎo)管的側(cè)視圖，其形成于多晶硅帶狀波導(dǎo)管之上，多晶硅帶狀波導(dǎo)管通過一介電絕緣層與之相分隔，所述的多晶鍺檢測器具有在和帶狀波導(dǎo)管相耦合的波導(dǎo)管的末端形成的接點。
圖15是多晶硅梁狀波導(dǎo)管的側(cè)視圖，其形成于之上，硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)管通過一電介質(zhì)絕緣層與在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)管的末端之上形成的多晶鍺檢測器相分隔。
圖16(a)～(e)是使用本發(fā)明的多晶鍺檢測器的各種光電系統(tǒng)的示意圖。
圖17是鍺的吸收量的示意曲線圖。
具體實施例方式
在詳述本發(fā)明的多晶鍺SOI基光電檢測器之前，有必要簡單介紹常規(guī)的正入射式光電檢測器。圖1表示一種以往的傳統(tǒng)檢測器1的橫斷面圖。檢測器1被認(rèn)為是“正”入射式光電檢測器，因為入射光束的方向垂直于沖擊表面的平面，在該情況下沖擊表面是AR涂層2。檢測器1是p-i-n型光電檢測器，包含p型摻雜的多晶鍺層3、本征摻雜層4和n型摻雜層5。如圖所示，在檢測器1的相對的面上形成接點，即底面觸點6和頂面的環(huán)狀觸點7。層3、4和5的厚度和摻雜決定光的吸收量和檢測器1的響應(yīng)速度。p型摻雜層3的吸收面積一般在100μm2的數(shù)量級(這樣大的吸收面積是由于缺少有效控制成本的方法將光聚焦在檢測器1內(nèi)而引起的)。這些常規(guī)的現(xiàn)有技術(shù)檢測器的相對較大的吸收面積使其應(yīng)用范圍局限于能容許所產(chǎn)生的較高暗電流的應(yīng)用。在有些情況下，降低p-i-n層的厚度以提高響應(yīng)速度，但要犧牲響應(yīng)率(因為吸收減少了)。
圖2是典型的SOI結(jié)構(gòu)10的橫斷面圖，在SOI結(jié)構(gòu)之上設(shè)置了多晶鍺層，用來作為根據(jù)本發(fā)明技術(shù)的光電檢測器。如圖所示，SOI結(jié)構(gòu)10包括硅襯底12，其上形成二氧化硅覆蓋的氧化物層14。相對較薄的板狀硅質(zhì)波導(dǎo)層16形成于被覆蓋的氧化物層14之上，其中，該板狀硅質(zhì)波導(dǎo)管16用于光信號沿著波導(dǎo)管方向的傳播。在部分波導(dǎo)層16之上設(shè)置多晶鍺層18。如下面所述，對于本發(fā)明的每一實施方式十分重要的是，它包含一個單片集成的多晶鍺檢測器，該檢測器與相對較薄(亞微米)的硅質(zhì)波導(dǎo)管結(jié)合，硅質(zhì)波導(dǎo)管形成于SOI基的光電平臺之上，后者使用近紅外波長(例如1.1-1.7μm)的光運(yùn)行。如同下面各種實施方式中詳細(xì)說明的那樣，兩個電接點都是在器件的“上端面”上形成(即平面的接點形狀)，這是因為從制造和封裝的角度考慮較現(xiàn)有技術(shù)的“頂面”和“底面”接點容易加工。
參照圖2，使用相對較薄(即＜1μm)的硅質(zhì)波導(dǎo)管16可以有效地將傳播的光信號限定在頂端的范圍。隨著信號沿著波導(dǎo)管傳播，其與多晶鍺層18耦合產(chǎn)生電子—空穴對。兩個分隔開的金屬電接點(將在下文中詳述)間的距離可以設(shè)置得很短，大約為波導(dǎo)管尺度的數(shù)量級，以確保在不犧牲響應(yīng)率的情況下高速運(yùn)行。本發(fā)明的波導(dǎo)管檢測器配置中的光的吸收，是通過多晶鍺檢測器層18的長度和摻雜來控制，這將在下文中詳細(xì)說明。
由于波導(dǎo)層16的亞微米尺寸的結(jié)果，光學(xué)模的逐漸衰減的尾部延伸到硅質(zhì)波導(dǎo)層以外，使其對波導(dǎo)管的頂面和底面很敏感。對于本發(fā)明來說重要的是，多晶鍺層形成于硅質(zhì)波導(dǎo)管之上，以便將傳播的光吸收在波導(dǎo)管中。
如圖17所示，鍺的禁帶寬度(～0.72eV)使得其可以有效吸收近紅外波長的光。多晶鍺層可以采用多種傳統(tǒng)方法形成，這些方法包括(但不限于)物理氣相沉積(PVD)或化學(xué)氣相沉積(CVD)。
本發(fā)明涉及將光限制到具有非常狹小的尺度(如，高度＜1μm，寬度＜1μm)的硅質(zhì)波導(dǎo)管中。這種對光的嚴(yán)密的限制使得能夠制造很小尺寸度的檢測器。波導(dǎo)管的狹小的尺寸還放寬了與現(xiàn)有技術(shù)的大面積檢測器相關(guān)的限制，例如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)配置。材料缺陷例如穿透位錯(threadingdislocation)以及細(xì)小的晶粒尺寸對現(xiàn)有技術(shù)的檢測器產(chǎn)生有害的影響。薄膜晶體管行業(yè)的技術(shù)，例如周期退火和激光退火，可以用來提高多晶鍺材料的品質(zhì)從而得到更好的電子學(xué)和光學(xué)性特。在本發(fā)明的多晶鍺檢測器的形成過程中的適度的工藝過程控制，可以改變晶粒尺寸和穿透位錯的大小，從而提高檢測器在降低暗電流、提高載體壽命和提高遷移率方面的特性。
多晶鍺材料也可以摻雜適當(dāng)?shù)膿诫s劑，例如硼(對于p型摻雜)或者P、As或Sb(對于n型摻雜)，以形成橫向的p-i-n結(jié)構(gòu)?；趐-i-n結(jié)構(gòu)的光電檢測器還可以通過使用適當(dāng)位置的接點(電極)來形成。例如，未摻雜的鍺吸收層可以設(shè)置在p型高度摻雜接點層和n型高度摻雜接點層之間，當(dāng)向光電檢測器施加反向偏置電壓時，空區(qū)寬度增加，減少了載流子的渡越時間。在SOI結(jié)構(gòu)的硅質(zhì)波導(dǎo)管中傳播的光學(xué)模，當(dāng)與多晶鍺區(qū)相互作用時產(chǎn)生電子—空穴對。在適當(dāng)位置設(shè)置的電極對這些電子—空穴對進(jìn)行集電，集電效率由兩電極間的距離以及多晶鍺材料的品質(zhì)來決定。
因為每吸收一個光子就產(chǎn)生一個電子—空穴對，所以電子—空穴對的產(chǎn)生直接與光的吸收有關(guān)。光子產(chǎn)生速率gOP由下式表示gop=αPinλAhc]]>式中，A是光電二極管的受照面積，Pin是入射功率，α是吸收系數(shù)，h是普朗克常數(shù)，c是真空中的光速，λ是光的波長。例如，使用尺寸為1μm×10μm×0.2μm的多晶鍺檢測器，如果λ＝1.55μm且功率為1μW的入射光信號被檢測器吸收，則在檢測器體積中產(chǎn)生的電子—空穴對數(shù)量大約為8×1013cm-3。因此，由熱產(chǎn)生的電子—空穴對濃度約為20。由于對光的嚴(yán)密限制，很大量的能量被提供給多晶鍺檢測器，導(dǎo)致比熱激發(fā)產(chǎn)生的電子—空穴對至少多兩個數(shù)量級。
假設(shè)產(chǎn)生的所有電子—空穴對都形成光電流，則光電流可以由下列積分式表示
Iph=qA∫-xpxn+dgopdx]]>式中，d為未摻雜區(qū)域(空區(qū))的厚度，q是電子電荷，在整個空區(qū)的寬度上進(jìn)行積分。在所有情形下，積分式可以簡化為Iph=q(1-R)Pinλhc(1-e-ad)]]>式中，R是在波導(dǎo)管和檢測器的界面處的反射。對于10μm長的檢測器，λ＝1.55μm、Pin＝1μW且α＝103cm-1的近紅外波長的光產(chǎn)生1μA的電流。在現(xiàn)有技術(shù)中，據(jù)報道，對于如圖1所示的正入射式檢測器，一般的暗電流在10-3A/cm2的數(shù)量級。與此相比，本發(fā)明的多晶鍺基波導(dǎo)管檢測器(～10μm2)的預(yù)期暗電流在1nA的數(shù)量級，導(dǎo)致較高的信噪比。
在本發(fā)明的大多數(shù)實施方式中，波導(dǎo)層16包括下列三種幾何形狀中的一種(1)板狀，(2)帶狀和(3)梁狀。圖3(a)和(b)分別是板狀波導(dǎo)管SOI基結(jié)構(gòu)的橫斷面圖和等角圖。在這一實施例中，上部硅質(zhì)波導(dǎo)層用16slab表示。圖3(a)的橫斷面圖也顯示了一個沿板狀波導(dǎo)管16slab傳播的信號的典型的光學(xué)模。由于硅質(zhì)板狀波導(dǎo)管16slab的厚度在亞微米范圍，光學(xué)模的逐漸誤差的尾部延伸到波導(dǎo)層16slab之外，使得光學(xué)模對于波導(dǎo)層16slab的頂面17和底面19都很敏感。便利的是，多晶鍺檢測器可以設(shè)置在波導(dǎo)層16slab的頂面17上來捕獲光學(xué)模延伸到層16的頂面17之外的那部分光學(xué)模。
圖4(a)和(b)表示與板狀波導(dǎo)管一起使用的本發(fā)明的一個典型光電檢測器，其中，多晶鍺層18設(shè)置在圖3的SOI基結(jié)構(gòu)10的頂面。參照圖2，從圖4(a)中可以清楚地看出光學(xué)模被耦合到多晶鍺層18中，從而發(fā)生光的吸收。如圖所示，沿著層18的相對的兩側(cè)形成一對電接點201和202，其中，吸收的光量通過沿著結(jié)構(gòu)10側(cè)面的層18的長度來控制。在圖中未顯示的一種配置中，在同一波導(dǎo)層16slab上可以形成一組這樣的檢測器，用以吸收沿著相同波導(dǎo)層16slab中傳播的不同波長的光(例如在波長分割多路轉(zhuǎn)換(WDM)通訊系統(tǒng)中)。
如果需要將檢測器與硅質(zhì)波導(dǎo)層16slab電絕緣，可以在波導(dǎo)層16slab的頂面17之上覆蓋設(shè)置一層絕緣層22(例如SiO2)。圖5(a)和(b)分別表示這種結(jié)構(gòu)的橫斷面圖和等角圖。在多數(shù)情形下，這一層可以在下部的硅質(zhì)波導(dǎo)層16slab上生長出來，或者可以沉積形成層22?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明的光電檢測器結(jié)構(gòu)中包含絕緣層22是有用的，可以簡化多晶鍺檢測器層18與硅質(zhì)波導(dǎo)層16的集成過程。
圖6(a)和(b)分別表示帶狀波導(dǎo)管SOI基的結(jié)構(gòu)的橫斷面圖和等角圖。在這一實施例中，上部的硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層標(biāo)示為16strip。圖6(a)的橫斷面解說明了沿著帶狀波導(dǎo)管16strip進(jìn)行信號傳輸?shù)牡湫偷墓鈱W(xué)模。由于硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)管16strip的亞微米厚度和寬度，光學(xué)模在垂直和水平方向上被很好地限定。因而表現(xiàn)出較圖3中的板狀波導(dǎo)管形狀更高的信號功率，該信號功率是側(cè)向尺寸的函數(shù)。
圖7(a)和(b)表示應(yīng)用了如圖6所示的帶狀波導(dǎo)管形狀的本發(fā)明的典型多晶鍺光電檢測器的配置。如圖7所示，形成的多晶鍺檢測器層18構(gòu)成一個“包裹覆蓋”的形狀，以便完全覆蓋硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層16strip的頂面和側(cè)面。特別是，如圖7(a)和(b)所示，形成的檢測器層18包含有第一側(cè)面部分181和第二側(cè)面部分182，其中181與波導(dǎo)層16strip一側(cè)上的被覆氧化物層14的頂面接觸，182與波導(dǎo)層16strip的相反一側(cè)上的被覆氧化物層14的頂面接觸。在這種情況下，第一電接點201位于多晶鍺層18的第一部分181之上，第二電接點202位于多晶鍺層18的第二部分182之上。盡管帶狀波導(dǎo)層16strip的橫斷面被顯示為長方形，但也可以是其他形狀。而且，也可以形成各種不同形式的帶狀波導(dǎo)管，包括Y-分束器(splitters)、環(huán)狀共振腔和/或耦合器，具有沿著不同的波導(dǎo)管部分以相似的包裹覆蓋形式設(shè)置的分隔的檢測器。
如同上述討論的板狀形狀一樣，在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層16strip和多晶鍺光電檢測器層18之間可以設(shè)置絕緣層22，如圖8所示。該層22用來在波導(dǎo)層16和與多晶鍺檢測器18相連的電接點20之間提供電絕緣。如果選擇合適的材料，絕緣層22可以簡化多晶鍺層18與傳統(tǒng)SOI結(jié)構(gòu)10的集成過程。
圖9(a)和(b)分別表示了梁狀波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的橫斷面圖和等角圖。本實施例中，在部分板狀硅質(zhì)波導(dǎo)層16slab上形成多晶硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)層16rib。多晶硅質(zhì)梁16rib與板狀波導(dǎo)層16slab組合使用，使得光學(xué)模進(jìn)入梁的部分，因而可以滿足板狀波導(dǎo)管形狀的橫向限制。圖9(a)的橫斷面圖清楚地顯示了典型光學(xué)模耦合到硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)管16rib上。由于硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)管16rib的厚度和寬度都是亞微米的，光學(xué)模的逐漸衰減的尾部延伸至波導(dǎo)層16rib之外，使得光學(xué)模對梁狀波導(dǎo)層16rib的頂面17和底面19都很敏感。有利的是，多晶鍺檢測器可以設(shè)置在波導(dǎo)層16slab的頂面17上以捕獲延伸到層16的頂面17之外的那部分光學(xué)模。
圖10(a)和(b)表示應(yīng)用了如圖9所示的梁狀波導(dǎo)管形狀的本發(fā)明的典型多晶鍺光電檢測器的配置。如圖10所示，與上面參照圖7所描述的配置相類似，形成的多晶鍺檢測器層18包含一個“包裹覆蓋”的形狀，從而完全覆蓋了多晶硅梁狀波導(dǎo)層16rib的頂面和側(cè)面。特別是，如圖10(a)和(b)所清楚地表示的那樣，形成的檢測器層18包含有第一側(cè)面部分181和第二側(cè)面部分182，其中，181在梁狀波導(dǎo)層16rib的一側(cè)上與硅質(zhì)板狀波導(dǎo)層16slab的頂面接觸，182在梁狀波導(dǎo)層16rib的相對一側(cè)上與硅質(zhì)板狀波導(dǎo)層16slab的頂面接觸。在這種情況下，第一電接點201位于多晶鍺層18的第一部分181之上，第二電接點202位于多晶鍺層18的第二部分182之上。盡管梁狀波導(dǎo)層16rib的橫斷面被顯示為長方形，但也可以是其他形狀。而且，可以形成各種形式的梁狀狀波導(dǎo)管，包括Y一分束器(splitters)、環(huán)狀共振腔和/或耦合器，具有沿著不同的波導(dǎo)管部分以相似的包裹覆蓋形式設(shè)置的分隔的檢測器。
與上述討論的板狀形狀和帶狀形狀類似，如圖11所示，在硅質(zhì)板狀波導(dǎo)層16slab和多晶硅梁狀波導(dǎo)層16rib之間可以設(shè)置絕緣層22，。該層22用來在波導(dǎo)層16和與多晶鍺檢測器18相連的電接點20之間提供電絕緣。如果選擇合適的材料，絕緣層22可以簡化多晶鍺層18與傳統(tǒng)SOI結(jié)構(gòu)10的集成過程。
圖12是本發(fā)明另一實施方式的等角圖，其為由硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層16strip和多晶鍺檢測器層18形成共面結(jié)構(gòu)。特別是，如圖12所示，多晶鍺檢測器層18配置在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層16strip的終端區(qū)域T。如前所述，沿著檢測器層18的相對兩側(cè)設(shè)置一對電接點201和202。本發(fā)明的這一特定的實施方式可以用于需要進(jìn)行完全的光電轉(zhuǎn)換的場合，因為沿著帶狀波導(dǎo)層16strip傳播的光學(xué)模可以被全部吸收到多晶鍺層18中，產(chǎn)生電子—空穴對。圖13表示的是圖12的配置的另一種實施方式其中，在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層16strip和硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)層16rib之間加入了絕緣層22。與圖12的配置同樣，所有傳播的光信號將被多晶鍺檢測器層18所吸收。圖13是在絕緣層22之上形成的多晶硅梁狀波導(dǎo)管結(jié)構(gòu)的等角圖，絕緣層22設(shè)置在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)管之上。多晶鍺檢測器18被設(shè)置在多晶硅梁狀波導(dǎo)層和硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的終端。
圖14中所示的配置的不同點在于，鍺層18不是直接形成于被埋置的氧化物層14之上，而是配置在多晶硅負(fù)載的帶狀波導(dǎo)層16strip的區(qū)域上。與上面所述的配置同樣，如圖15所示，可以在多晶硅負(fù)載的帶狀波導(dǎo)層16strip和多晶硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)層16rib之間配置絕緣層22。
圖15中所示的配置略有不同，因為鍺層18不是直接形成在被埋置的氧化物層14之上，而是配置在硅負(fù)載的帶狀波導(dǎo)層16strip的區(qū)段之上。與上面所述的配置相同，如圖15所示，可以在硅負(fù)載的帶狀波導(dǎo)層16strip和多晶硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)層16rib之間配置絕緣層22。
圖16(a)～(e)表示可以使用本發(fā)明的SOI基的平板的多晶鍺檢測器的高級形式的各種系統(tǒng)。如同上面參照圖1所說明的那樣，使用本發(fā)明的設(shè)計較傳統(tǒng)的正入射式檢測器有幾方面的優(yōu)勢。首先，使用分散的InGaAs檢測器與使用本發(fā)明的相比缺乏實用性，在本發(fā)明中，多晶鍺檢測器直接形成在狹窄的SOI結(jié)構(gòu)波導(dǎo)管之上。此外，耦合的波導(dǎo)管基的分支(tap)可以用來監(jiān)測發(fā)射/反射的功率，如圖16(a)所示。以往傳統(tǒng)的分支手段分出某一特定波長需要昂貴的濾光片和精確的光學(xué)校準(zhǔn)。根據(jù)本發(fā)明，一個簡單的環(huán)形共振腔構(gòu)造(圖16(b))可以用來分出特定的波長，用于監(jiān)視目的或用于完全流出(drop off)。也可以使用多路“分支”，用多個獨(dú)立的波導(dǎo)管來監(jiān)視不同的波長(圖16(c))。一種常用的波長多路傳輸/分路傳輸?shù)姆椒ㄉ婕笆褂冒嘿F的多層窄帶絕緣薄膜濾光片，其需要精確的光學(xué)校準(zhǔn)，因而被認(rèn)為是不經(jīng)濟(jì)的。根據(jù)本發(fā)明，可以使用在硅上蝕刻出的凹光柵(如圖16(d)所示)來分路傳輸不同的波長進(jìn)入單獨(dú)的硅波導(dǎo)管，單獨(dú)的多晶鍺檢測器與每個波導(dǎo)管相聯(lián)系。在線監(jiān)測是另一種有用的監(jiān)測功能，在使用了本發(fā)明的多晶鍺檢測器后可以被簡化，如圖16(e)所示。
不言而喻，本發(fā)明的上述實施方式僅僅是示例性的，不應(yīng)視為對本發(fā)明范圍的限定和限制，本發(fā)明的范圍是由權(quán)利要求限定的。
權(quán)利要求
1.基于絕緣襯底上外延硅(SOI)平臺的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光電檢測器結(jié)構(gòu)包括包含有頂部主表面的硅襯底；配置成覆蓋所述硅襯底的頂部主表面的埋置的氧化物層，所述埋置的氧化物層包含有頂部主表面；配置成覆蓋所述埋置的氧化物層頂部主表面的至少一部分的、亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層；配置成接觸所述硅質(zhì)光波導(dǎo)層的一部分的多晶鍺檢測器層；以及配置在所述多晶鍺檢測器層的橫向相對的末端的一對電接點，其中，所述多晶鍺檢測器層具有適合于吸收沿著亞微米厚度硅質(zhì)光波導(dǎo)層傳播的光信號的帶隙，并在上述電接點對之間產(chǎn)生電輸出信號。
2.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述光電檢測器結(jié)構(gòu)還包含一個設(shè)置在亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層和多晶鍺檢測器層之間的電介質(zhì)層。
3.權(quán)利要求2所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述電介質(zhì)層包含一個生長出的SiO2層。
4.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層是板狀形狀，所設(shè)置的多晶鍺檢測器層覆蓋所述板狀波導(dǎo)層的頂部主表面部分。
5.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層是帶狀形狀，所設(shè)置的多晶鍺檢測器層共形地覆蓋所述被埋置的氧化物層的頂部主表面的一部分，以及所述硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的側(cè)面和頂面。
6.權(quán)利要求5所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述的一對電接點設(shè)置在多晶鍺層的與下面的被埋置的氧化物層直接接觸的那些部分上。
7.權(quán)利要求6所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述光電檢測器結(jié)構(gòu)還包括設(shè)置在亞微米的硅質(zhì)帶狀光波導(dǎo)層和多晶鍺層之間的電介質(zhì)層。
8.權(quán)利要求6所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)是長方形形狀。
9.權(quán)利要求6所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)的幾何形狀包括Y-分束器、環(huán)狀共振腔和/或耦合波導(dǎo)管之類的元件。
10.權(quán)利要求6所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，多晶鍺檢測器層設(shè)置在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的末端，以便覆蓋被埋置氧化物層的頂面的一部分。
11.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層是板狀層，多晶硅梁狀波導(dǎo)管被設(shè)置覆蓋所述板的頂部主表面的一部分，多晶鍺檢測器層被設(shè)置共形地覆蓋梁狀波導(dǎo)層的頂部主表面的一部分部分，以及硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)層的側(cè)面和頂面。
12.權(quán)利要求11所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，在硅質(zhì)板狀波導(dǎo)層和多晶硅梁狀波導(dǎo)層之間設(shè)置介電絕緣層。
13.權(quán)利要求11所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，多晶硅質(zhì)梁狀波導(dǎo)的幾何形狀包括Y-分束器、環(huán)狀共振腔和/或耦合波導(dǎo)管之類的元件。
14.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層包含一個硅質(zhì)帶狀層，多晶硅梁狀波導(dǎo)管被配置成覆蓋所述帶的頂部主表面的一部分，并且多晶鍺檢測器層被配置成共形地覆蓋所述帶狀波導(dǎo)層的頂部主表面的一部分，以及硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的側(cè)面和頂面。
15.權(quán)利要求14所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，多晶鍺檢測器層配置在硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層和多晶硅梁狀波導(dǎo)層的末端。
16.權(quán)利要求14所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述的多晶鍺檢測器層被配置成共形地覆蓋硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的頂部主表面的一部分，以及位于多晶硅梁狀波導(dǎo)層的末端的硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的側(cè)面和頂面。
17.權(quán)利要求14所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述亞微米厚度的硅質(zhì)光波導(dǎo)層包含有多晶硅帶狀波導(dǎo)層，配置了一個多晶硅梁狀波導(dǎo)層覆蓋多晶硅帶狀波導(dǎo)層的頂部主表面的一部分。
18.權(quán)利要求17所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，多晶鍺檢測器層設(shè)置于多晶硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層和多晶硅梁狀波導(dǎo)層的末端。
19.權(quán)利要求18所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，多晶鍺檢測器層被配置成共形地覆蓋多晶硅帶狀波導(dǎo)層的頂部主表面的一部分，以及位于多晶硅梁狀波導(dǎo)層的末端的硅質(zhì)帶狀波導(dǎo)層的側(cè)面和頂面。
20.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述多晶鍺檢測器層包括p型摻雜和n型摻雜的橫向區(qū)域，在檢測器內(nèi)形成PN結(jié)。
21.權(quán)利要求1所述的光電檢測器結(jié)構(gòu)，其中，所述多晶鍺檢測器層包括p型摻雜和n型摻雜的橫向的、分離的區(qū)域，形成PIN結(jié)構(gòu)光電檢測器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光電檢測器，其具有在絕緣襯底上外延硅(SOI)結(jié)構(gòu)上形成的相對較薄(亞微米)的硅質(zhì)光波導(dǎo)管，上述SOI結(jié)構(gòu)包含一層多晶鍺層，所設(shè)置的多晶鍺層用于耦合至少部分沿著硅光波導(dǎo)管傳播的光信號。光信號被嚴(yán)格限定在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，使得能夠有效地迅速衰減耦合到多晶鍺檢測器中。硅質(zhì)光波導(dǎo)可以包含任何所希望的幾何形狀，多晶鍺檢測器或者覆蓋部分波導(dǎo)管，或者對接耦合到波導(dǎo)管的一端部。在覆蓋部分波導(dǎo)管時，多晶鍺檢測器可以包含“包裹覆蓋”的形狀來覆蓋光波導(dǎo)管的側(cè)面和頂面，并在檢測器的相對的兩端上形成電接點。
文檔編號H01L21/02GK1768416SQ200480008858
公開日2006年5月3日 申請日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月31日
發(fā)明者普拉卡什·約托斯卡, 馬格利特·吉龍, 威普庫馬·帕特爾, 羅伯特·凱斯·蒙特哥莫里, 卡爾潘都·夏斯特里, 索哈姆·帕塔克, 凱瑟琳·A·亞努舍弗斯奇 申請人:斯歐普迪克爾股份有限公司, 普拉卡什·約托斯卡, 馬格利特·吉龍, 威普庫馬·帕特爾, 羅伯特·凱斯·蒙特哥莫里, 卡爾潘都·夏斯特里, 索哈姆·帕塔克, 凱瑟琳·A·亞努舍弗斯奇